Abstrak—Pemusnahan  eksergi  pada  turbin  gas  terjadi  karena adanya gesekan antara fluida kerja dengan sudu – sudu turbin yang  menyebabkan  terjadinya  pembangkitan  entropi  pada fluida kerja. Untuk sistem turbin gas dengan fluida kerja yang bertekanan  dan  temperature  rendah,  jenis  radial  turbin  tepat diaplikasikan karena mampu beroperasi pada kecepatan tinggi. Dalam  penelitian  ini  dilakukan  studi  desain  geometri  rotor turbin  tipe  radial  dengan  menggunakan  fluida  kerja  bantu  R- 134a  untuk  meningkatkan  daya  keluaran  turbin.  Perancangan geometri blade rotor turbin radial menggunakan dua cara yaitu dengan  pendekatan  numerik  dan  simulasi  CFD.  Perancangan dengan  pendekatan  numerik  dan  simulasi  3D  menggunakan metode  yang  disarankan  oleh  Aungier  dan  Baines.  Dari  hasil perhitungan  Baines,  diperoleh  daya  output  rotor  turbin  hasil perancangan  sebesar  10,497  kW.  Selain  prediksi  performansi daya  output,  dalam  perancangan  diperoleh  penampang meridional  dan  segitiga  kecepatan  rotor  yang  digunakan sebagai  input  perancangan  3D  blade  rotor  radial.    Dengan variasi  sudut  inlet  rotor  0 o dan  70 o diperoleh  perbedaan profil aliran. Pada sudut inlet 70 o menghasilkan performa yang lebih baik  berdasarkan  profil  aliran  kecepatan  dan  distribusi tekanan. Karakteristik aliran yang terjadi pada area blade dan sekitarnya  yang  dibatasi  oleh  penampang  hub  dan  shroud menyebabkan terjadi aliran turbulen karena nilai densitas dan viskositas fluida kerja yang rendah.
Kata Kunci—Airfoil, Blade, Radial, Refrigerant, Twist, Vortex.

## I. PENDAHULUAN
IKLUS  Rankine  Organik  (ORC)  merupakan  salah  satu siklus yang sering digunakan dalam suatu pembangkitan dengan  memanfaatkan waste  energy dimana  fluida  yang digunakan  berbahan  organik  [1].  Di  Indonesia,  penggunaan teknologi ORC masih sangat sedikit karena industri nasional belum ada yang dapat memproduksi komponen sistem ORC, sehingga  teknologi  ORC  dinilai  membutuhkan  investasi yang  tinggi.  Untuk  saat  ini,  pemanfaatan  siklus  rankine dengan  fluida  kerja  organik  hanya  sebatas  untuk  alternatif penambahan  daya  output  pembangkitan  listrik,  dimana  uap sebagai  sumber  utama  pembangkit  digunakan  untuk memanaskan  fluida  kerja  bantu  atau  yang  sering  dikenal dengan teknologi siklus biner. Teknologi siklus biner adalah sistem  pembangkit  listrik  dimana  fluida  bertekanan  rendah seperti misal panas bumi, baik berupa uap maupun air panas dimanfaatkan sebagai sumber panas utama untuk memanaskan fluida kedua (fluida kerja) dengan menggunakan alat penukar panas dari fase cair menjadi fase gas.  Fase  gas  dari  fluida  kerja  ini  kemudian  dialirkan  ke dalam  turbin  yang  dikopel  dengan  generator  untuk membangkitkan listrik.
Berdasarkan  pada  penelitian  sebelumnya  terkait  efisiensi
suatu pembangkit listrik bahwa komponen yang berpengaruh besar  dalam  pemusnahan  eksergi  terjadi  pada  turbin  [2]. Pemusnahan  eksergi  pada  turbin  gas  terjadi  karena  adanya gesekan antara fluida kerja dengan sudu  – sudu turbin yang menyebabkan  terjadinya  pembangkitan  entropi  pada  fluida kerja [3]. Pada tingkatan pertama, entropi pada sistem sangat menguntungkan untuk tingkat selanjutnya, akan tetapi sangat merugikan  pada  tingkat  terakhir  karena  sudah  tidak dimanfaatkan  lagi  seperti  pada  proses  sebelumnya  namun langsung dialirkan ke tingkat selanjutnya pada siklus.
Berdasarkan  permasalahan  tersebut,  maka  dibutuhkan beberapa penelitian terkait peningkatan performa turbin agar seluruh  energi  dapat  dikonversi  menjadi  listrik.  Selain peningkatan performa, pengurangan  kerugian  akibat beberapa  faktor  unjuk  kerja  turbin  juga  perlu  dikaji  dalam proses  ekspansi.  Terdapat  beberapa  jenis  turbin  gas  yang digunakan  berdasarkan  kebutuhan  kondisi  operasi.  Untuk sistem  turbin  gas  dengan  fluida  kerja  yang  bertekanan  dan temperature  rendah  untuk  aplikasi  siklus  rankine  organik, jenis  radial  turbin  tepat  diaplikasikan  karena  mampu beroperasi pada kecepatan tinggi.
Perancangan turbin gas yang umum dan banyak dilakukan pada  penelitian  yang  sudah  ada  berfokus  pada  perancangan komponen yang berpengaruh besar terhadap performa turbin yaitu  pada  komponen  rotor.  Rotor  adalah  komponen  yang berputar  pada  turbin  terdiri  dari  poros  dan  sudu  –  sudu turbin  ( blade )  yang  mengubah  energi  panas  fluida  menjadi energi  kinetik  untuk  memutar  generator.  Selain  itu  telah dilakukan  optimisasi  pemilihan  desain  turbin  menggunakan fluida  kerja  R-134a  yang  dapat  menghasilkan  peningkatan daya  turbin  sekitar  3,6%  bila  kecepatan  dan  bentuk blade tertentu  dioptimalkan  pada  rentang  yang  diuji  [4].  Banyak penelitian  yang  dilakukan  pada  studi  termodinamik  dari sistem ORC dan pemilihan fluida kerja dengan fokus utama pada  peningkatan  efisiensi  pembangkit  daya.  Oleh  karena itu,  turbin  harus  didesain  agar  memenuhi  kondisi  operasi fluida kerja untuk sistem ORC pada temperatur dan tekanan yang  sesuai  dengan  properti  termodinamik  fluida  kerja. Semakin  tinggi  nilai  efisiensi  atau  daya  yang  dapat dibangkitkan  oleh  turbin,  maka  semakin  baik  pula  unjuk kerja komponen lainnya dalam satu siklus tersebut.
Berdasarkan permasalahan tersebut maka dalam penelitian ini  akan  dilakukan  studi  desain  geometri  rotor  turbin  tipe radial dengan menggunakan fluida kerja bantu R-134a untuk meningkatkan  daya  keluaran  turbin.  Turbin  radial  dipilih karena  memungkinkan  kinerja  yang  lebih  baik  untuk  skala yang lebih rendah [5]. Tantangan dalam pemodelan numerik turbin  radial  yang  menggunakan  fluida  kerja  bantu  masih perlu  ditangani  untuk  memperbaiki  desain  turbin  dan mengoptimalkan ORC dengan lebih baik. Eksperimen terkait

## Analisis Aliran Fluida Refrigeran 134a pada Rotor Radial Berbasis Computational Fluid Dynamics
Ni Putu Rika Puspita Dewi dan Gunawan Nugroho Departemen Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : gunawan@ep.its.ac.id
S
aliran  3D  pada  rotor  turbin  radial  sulit  untuk  dilakukan karena  mengingat  terbatasnya  waktu  dan  memerlukan  biaya yang mahal sehingga simulasi dengan modifikasi blade rotor menjadi  salah  satu  solusi  yang  akan  dilakukan  pada  tugas akhir ini. Diharapkan dengan perancangan blade rotor dapat dilakukan  analisa  yang  lebih  detail  terkait  pengaruh  desain geometri rotor terhadap fenomena aliran 3D fluida kerja dan performa turbin radial.
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  menentukan geometri blade rotor radial dengan menggunakn fluida kerja R-134a  agar  memperoleh  daya  output maksimal pada range 10  –  20  kW  serta  dapat  melakukan  analisa  terhadap karakteristik  aliran  fluida  yang  mengalir  pada blade rotor radial.

## II. METODOLOGI PENELITIAN
Berikut  merupakan  diagram  alir  dari  pelaksanaan penelitian ini:

## Gambar 1. Diagram alir penelitian.

## A. Perancangan Geometri Blade Rotor Turbin Radial
Perancangan  geometri blade rotor  turbin  radial dilakukan  melalui  dua  tahap  yaitu  dengan  pendekatan numerik dan simulasi CFD. Perancangan dengan pendekatan numerik  dan  simulasi  3D  menggunakan  variabel  yang disarankan  oleh  Aungier  dan  Baines.  Pendekatan  numerik dilakukan  untuk  memperoleh  perhitungan  estimasi  geometri blade yang  akan  diaplikasikan  pada  rotor  turbin  radial. Penentuan  keadaan  awal  dipilih  oleh  penulis  sesuai  dengan rentang karakteristik termodinamika dari fluida kerja R-134a dan  kondisi  operasi  input  sesuai  dengan  paper  eksperimen dengan  nilai  kecepatan  rotasi  yang  berbeda  yaitu  20.000 rpm.    Berikut  adalah  parameter  input  perancangan  awal blade rotor turbin radial dengan fluida kerja R-134a.
Tabel 1. Parameter Kondisi Input Parameter Input Nilai Laju aliran massa (m) 0.6 kg/s Kecepatan rotasional (N) 20000 RPM Temperatur total masuk 373 K Tekanan total masuk 3bar Konstanta panas spesifik (Cp) 1000,691 kJ/kg Konstanta gas spesifik (R) 81,5 kJ/kg Flow inlet angle 0 o dan 70 o Blade speed ratio 0.6 Target daya output 10 – 20 kW
Dari  nilai  parameter  input  yang  sudah  ditentukan tersebut,  maka  tahap  selanjutnya  dari  perancangan  numerik blade rotor  turbin  radial  dilakukan  dengan  menggunakan software .  Vista  RTD  adalah  salah  satu  program  numerik yang digunakan untuk merancang rotor turbin radial dengan mode  iterasi  satu  dimensi  (1D).  Adapun  parameter  input Vista  RTD  pada  perancangan  numerik  rotor  turbin  radial yaitu  berupa  kondisi  aerodinamika  dan  karakteristik  fluida kerja R-134a berdasarkan data input kondisi awal. Dari hasil perhitungan Baines, diperoleh daya output rotor turbin hasil perancangan  sebesar  10,497  kW.  Selain  prediksi  nilai performansi  dan  output,  juga  diperoleh  gambaran  1D  (flow path)  arah  meridional  dari  penampang  turbin  serta  segitiga kecepatan seperti pada gambar berikut.
Gambar 2. Dimensi turbin radial penampang merdional.
Tahap  selanjutnya  dari  perancangan  geometri  adalah tahap  perancangan blade rotor  dengan  software Ansys BladeGen .  BladeGen  dipilih  karena  dapat  digunakan  untuk desain cepat 3D dari komponen mesin berputar seperti rotor turbin. Data hasil perancangan awal digunakan sebagai data input  untuk  dimensi  utama  blade  rotor  turbin pada program Ansys  BladeGen.  Hal  ini  dilakukan  agar  geometri  yang dirancang pada tahap simulasi menghasilkan spesifikasi yang rasional.  Adapun  bagian  –  bagian  rotor  yang  dapat dikomputasikan  berupa  geometri blade,  hub,  shroud ,  arah input,  output,  dan  rotasi  putar.  Dalam  komputasi perancangan,  digunakan  13  blade  untuk  merepresentasikan bagian  rotor  turbin  secara  keseluruhan.  Namun  output  yang dihasilkan  pada  perancangan  dengan  BladeGen  adalah  1 buah  blade  (single  blade)  yang  dilengkapi  dengan  bagian hub  dan  shroud  sebagai  tempat  dudukan  ( passage  body ) blade itu  sendiri  yang  akan  dianalisa  karakteristik  aliran yang  terjadi  ketika  fluida  kerja  R-134a  melalui blade  body dari  arah  inlet  sampai  dengan  outlet  rotor.  Berikut  adalah gambar  3D  hasil  perancangan  rotor  turbin  radial  untuk  13 blade.
Gambar 3. Geometri blade rotor turbin radial.
Tahap  akhir  dari  perancangan  geometri blade rotor turbin  adalah  mengimport  blade  rotor  ke  dalam Desain Modeler .  Pada  tahap  ini  seluruh  komponen  geometri didefinisikan  sebagai  domain.  Berikut  adalah  hasil perancangan  geometri  3D  dari  rotor  turbin  radial  dengan  1 blade  ( single  blade ).    Adapun  domain  yang  didefinisikan terdiri dari, bagian  blade ( blade body ), bagian sekitar  blade (passage  body ),  aliran  masuk  fluida  ( inlet ),  aliran  keluar fluida  ( outlet ),  lengkungan  permukaan  dudukan  blade sekaligus  poros  ( hub ),  dan  lengkungan  permukaan  yang membentuk batas luar aliran fluida ( shroud ).
Gambar 4. Single blade rotor turbin radial.

## B. Proses Meshing
Tahap  meshing  bertujuan  untuk  menghasilkan mesh sebagai  domain  komputasi  yang  umumnya  digunakan  pada peralatan turbomachinery .  Pada  tahap  ini  dilakukan pembuatan  grid  secara  otomatis  sehingga  dapat  menghemat waktu  dan  biaya.  Dalam  proses  meshing  akan  dilakukan perhitungan  persamaan  konversi  energi,  massa,  dan momentum di masing – masing control volume .
Semakin kecil ukuran mesh , maka nilai akurasinya akan semakin  baik  namun  semakin  berat  juga  komputasi  yang harus  dilakukan  oleh  software.  Ukuran  mesh  dibedakan untuk  tiap  bagian  rotor  seperti  pada  hub,  shroud,  dan  blade agar  hasil  simulasi  valid  tanpa  membutuhkan  komputasi yang  besar.  Jenis  mesh  juga  mempengaruhi  kualitas  mesh yang  dihasilkan,  dapat  dilihat  dari  beberapa  parameter diantaranya elemen  quality,  skewness ,  dan orthogonal quality . Semakin tinggi nilai element quality dan orthogonal quality,  maka  semakin  baik  nilai  meshing.  Sedangkan semakin  rendah  nilai  skewness,  maka  semakin  baik  hasil meshing.  Pada  simulasi  kali  ini  penulis  menggunkaan  mesh jenis tetrahedron .
Gambar 5.  Meshing passage blade rotor turbin radial.

## C. Proses Simulasi CFD
Tahap selanjutnya setelah meshing geometri rotor turbin adalah  tahap  simulasi.  Secara  umum  ada  tiga  tahap  dalam melakukan  simulasi  CFD  yaitu  tahap pre  processing, solving , dan post processing .
a) Pre processing
Pada  tahap  ini  dilakukan  pendefinisian  geometri  dari domain  dan grid  generation .  Spesifikasi  kondisi  batas ( boundary condition ) aliran fluida kerja R-134a disesuaikan dengan  properti  thermodinamik  fluida  agar  mendapatkan hasil  yang  valid.  Berikut  adalah  properti  termodinamik  dari fluida kerja yang digunakan.
Tabel 2. Properti Termodinamika R – 134a Properti Termodinamika R – 134a Tipe dan model Real Gas Redlich – Kwong Molar mass 102.03 kg/kmol Temperature kritis 374.23 K Tekanan kritis 40.59 bar Konstanta panas spesifik 1000.691 kJ/kg Acentric Factor 0.326
Kondisi  batas  untuk blade rotor  turbin  radial  pada simulasi ini dapat dilihat pada tabel 3. berikut.
Tabel 3. Kondisi Batas Simulasi No Kondisi Batas Posisi Kondisi 1 Inlet Arah radial Mass  flow  rate  0,6  kg/s dengan  initial  pressure gaugae  sebesar  300.000 Pa dan temperature 373 K 2 Outlet Arah aksial Outflow 4 Passage body Sekitar blade (kanan dan kiri) Outflow 5 Shroud Atas domain blade (permukaan) Outflow 6 Hub Bawah domain blade (dudukan) No slip wall 7 Single Blade Airfoil yang menempel dengan hub Wall (material aluminium) dengan arah dan
kecepatan  rotasi  terhadap sumbu  X + dan  Y - sebesar 20000 rpm
Tipe  simulasi  dalam  keadaan steady dimana  parameter aliran tidak berubah terhadap waktu. Model turbulensi yang digunakan dalam simulasi rotor turbin radial adalah model k –  omega  ω  jenis Shear  Stress  Transport (SST)  karena  dari beberapa  penelitian  sebelumnya  dikatakan  bahwa  model  ini sering  digunakan  pada  aplikasi  mesin  –  mesin  turbo  yang didesain  untuk  memberikan  akurasi  tinggi  terhadap  letak awal  dan  jumlah  aliran  dalam  separasi  di  dalam adverse pressure gradient.
b) Solving
Pada tahap ini dilakukan perhitungan simulasi dari kondisi
batas  yang  telah  diberikan  pada  proses  sebelumnya  yaitu dengan  melakukan  iterasi  sampai  hasil  yang  diperoleh konvergen. Hasil yang konvergen ditandai dengan nilai RMS dibawah 10 -4 . c) Post processing
Setelah  proses  solving  berakhir,  maka  dilakukan pengambilan  data  melalui  software Ansys  CFD  Post . Adapun data yang diambil adalah hasil dalam bentuk kontur tekanan dan vector kecepatan pada area sekitar blade rotor.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Verifikasi Hasil
Pada  penelitian  kali  ini,  dilakukan  verifikasi  dan validasi  secara  kasar  dengan membandingkan hasil simulasi yang  didapat  dengan  hasil  penelitian  sebelumnya  yang memiliki kemiripan model. Perancangan geometri dikatakan valid  pada  penelitian  ini  apabila  blade  rotor  turbin  radial yang  dirancang  dapat  memenuhi  target  daya  output  sebesar 10-20  kW  sesuai  dengan  hasil  perhitungan  pada  paper eksperimen  yaitu  10  kW  bila  diaplikasikan  untuk  turbin radial pada siklus rankine organik. Pada perancangan desain blade  rotor  dengan  pendekatan  numerik  segitiga  kecepatan rotor  turbin  diperoleh  prediksi  daya  output  sebesar  10,497 kW  untuk  kedua  variasi  desain  blade  rotor.  Sehingga didapatkan  nilai  error  perhitungan  dan  simulasi  sebesar 4.97%.

## B. Profil Aliran Pada Variasi Sudut Aliran Masuk
Analisa  dilakukan  berdasarkan  studi  literatur  mengenai aliran tiga dimensi pada besaran kecepatan dan tekanan dari profil  penampang blade rotor  yang  dialiri  oleh  fluida  R- 134a.  Posisi  blade  menempel  pada hub dan  aliran  fluida kerja  dibatasi  oleh shroud untuk  bagian  permukaan (selubung)  yang  merupakan  batas  aliran  luar  blade.  Sisi sebelah  kiri  (arah  X - dan  Y + )  merupakan  arah  putar  blade rotor  sehingga  dapat  dikatakan  arah  putaran  blade  ke  area high  periodic dan  sisi  sebelahnya  merupakan  area low periodic .  Fluida  kerja  mengalir  menuju  arah  putaran  blade rotor.  Aliran  fluida  kerja  masuk  arah  radial  mengikuti putaran blade dan keluar arah aksial menuju saluran diffuser bagian  atas  geometri.  Interaksi  blade  dengan  area  disekitar putaran blade dapat dianalisa dengan memperhatikan kontur kecepatan  dan  tekanan  yang  dihasilkan.  Pada  simulasi  ini, dilakukan  dua  variasi  sudut  inlet  fluida  yaitu  0 o dan  70 o dengan kecepatan rotasi yang sama yaitu 20.000 rpm Berikut akan dibahas secara lebih detail profil aliran fluida kerja R- 134a  yang  dihasilkan  oleh  kedua  variasi  sudut  inlet  dan fenomena yang terjadi disekitar area blade rotor.
1. Profil Kecepatan Aliran Fluida Akibat dari rotasi blade rotor kearah high periodic , maka area  disekitar  blade  yang  mengalami  tumbukkan  akan kehilangan  tekanan  yang  tinggi  sehingga  menyebabkan fluida  bergerak  cepat.    Kecepatan  aliran  fluida  yang  masuk rotor  pada  kedua  variasi  mengalami  peningkatan  kecepatan di area sepanjang blade putar ( high periodic ). Hal ini terjadi karena  adanya  aliran  kecepatan  yang  bersatu  antara  aliran fluida  masuk  rotor  dengan  kecepatan  angular  blade  rotor. Kecepatan  aliran  fluida  terbesar  berada  pada  area  putaran blade rotor yang tinggi.
(a) (b)
Gambar 6. Streamline (a) Sudut Inlet 0 o (b) Sudut Inlet 70 o .
Pada penampang streamline terlihat aliran fluida bergerak dari  arah downstream ke mainstream dimana  terjadi perbedaan  kecepatan  yang  cukup  signifikan  ketika  fluida mengenai ujung inlet airfoil pada daerah leading edge . Pola aliran tersebut membentuk titik stagnansi yang menyebabkan terjadi perbedaan kecepatan aliran yang melalui ujung airfoil sampai  dengan  daerah  lengkungan mainstream .  Dengan melihat  profil  streamline,  dapat  dianalisa  aliran  fluida  yang melewati  sisi  cekung  dan  sisi  cembung  blade  rotor  yang berbentuk twist tersebut.  Pada  saat  fluida  melewati  sisi cekung  blade,  kecepatannya  alirannya  semakin  berkurang, begitu  pula  ketika  fluida  kembali  melalui  permukaan  blade yang  datar  maka  kecepatannya  akan  semakin  meningkat. Arah  aliran  fluida  pada  kedua  variasi  hampir  serupa  ketika melalui  area  blade  dari  inlet  sampai  outlet.  Terjadi separasi aliran ketika fluida melalui ujung blade.
Pada variasi sudut inlet 0 o seperti pada Gambar 6a, ketika fluida  masuk  terseparasi  pada  dua  area  blade,  dimana  pada sisi high periodic , fluida yang dialirkan sejajar outlet nozzle atau  tidak  membentuk  sudut  inlet,  ketika  mengenai permukaan  ujung  blade  aliran  dipercepat  hingga  mencapai kecepatan  pada  titik  maksimum  dan  diperlambat  saat melewati  permukaan  yang  melengkung,  dengan  kecepatan maksimum  pada  area  inlet  rotor  sebesar 43 m/s. Sedangkan pada  variasi  sudut  inlet  70 o kecepatan  maksimum  area  inlet rotor  adalah  59  m/s.  Adapun  hal  yang  menyebabkan perbedaan  nilai  kecepatan  inlet  pada  kedua  variasi  yaitu ketika  fluida  melewati  permukaan  blade  dengan  arah  inlet sejajar  dan  miring  70 o, seperti  pada  Gambar  6b dimana saat aliran  fluida  masuk  sejajar  dengan  ujung  blade  yang berbentuk  lengkung,  maka  aliran  terseparasi  karena momentum  aliran  yang  tidak  mampu  mengatasi  tekanan balik,  sehingga  pada  area  tersebut  terjadi  penurunan kecepatan  aliran.  Berbeda  ketika  aliran  fluida  masuk  dibuat miring  atau  tidak  sejajar  dengan  arah  outlet nozzle ,  maka fluida  pertama  masuk  akan  melewati  sisi  cembung  blade, sehingga  tidak  terjadi  pelemahan  kecepatan  aliran  yang signifikan pada area inletnya.
Untuk  menganalisa  fenomena  kecepatan  aliran  fluida  R- 134a  pada single blade rotor, maka kontur aliran kecepatan yang  dihasilkan  dianalisa  berdasarkan  interaksi  fluida dengan boundary yang  terjadi  disepanjang  area high periodic dan low periodic blade rotor yang berbentuk twist .
(a)
(b)
Gambar 7. Kontur Kecepatan (a) Sudut Inlet 0 o (b) Sudut Inlet 70 o .
Kontur  kecepatan  tampak  seperti  pada  Gambar  7. Permukaan  kontur  yang  diamati  pada  kedua  variasi  adalah pada permukaan shroud , sehingga sisa atas blade merupakan area high  periodic (arah  putaran  blade),  sedangkan  sisi bawah  blade  adalah  area low  periodic .  Tampak  jelas  ketika blade  berputar  maka  area  permukaan  yang  mengalami perubahan  kecepatan  adalah  pada  area high  periodic .  Jika diperhatikan  area  sepanjang  blade,  maka  tampak  bahwa kecepatan aliran fluida yang dekat dengan permukaan blade mengalami  penurunan  kecepatan  dibandingkan  dengan  area yang jauh dari blade. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan konsep aliran yang melewati boundary layer . Pada area yang dekat  dengan  blade  kecepatan  aliran  lebih  kecil  akibat pengaruh  tegangan  geser  antara  fluida  dengan blade  body . Selain  itu,  akibat  dari  bentuk  blade  yang twist, maka  sisi cembung blade yang semakin jauh dengan permukaan blade mengalami  penurunan  kecepatan  pada  area  yang  lebih  luas karena  pada  sisi low  periodic tidak  terjadi  interaksi  antara fluida dengan permukaan padat lainnya.
Pada  kedua  variasi  terdapat  perbedaan  nilai  rata  –  rata kecepatan inlet, outlet, dan area high periodic . Dengan sudut inlet  0 o diperoleh  rata  –  rata  kecepatan  aliran  fluida  di area sepanjang blade sebesar 77.6 m/s dan dengan sudut inlet 70 o sebesar 69.52 m/s. jika dilihat dari nilai rata – rata kecepatan airan  fluida  maka  dengan  sudut  inlet  yang  sejajar  dengan outlet nozzle akan menghasilkan kecepatan aliran yang lebih tinggi. Perbedaan yang tidak terlalu signifikan mengindikasikan bahwa variasi sudut inlet tidak berpengaruh  besar  terhadap  persebaran  kecepatan  aliran fluida,  karena  blade  rotor  berputar  dengan  kecepatan  yang sama  yaitu  20.000  rpm.  Berdasarkan  hasil  perhitungan kecepaatn  segitiga  rotor  dengan  Vista  RTD  diperoleh kecepatan  blade  yaitu  77.6  m/s.  Ketiga  nilai  kecepatan berada  direntang  yang  tidak  terlalu  jauh,  sehingga  dapat dikatakan bahwa kecepatan putar akan blade mempengaruhi kecepatan  aliran  fluida  disepanjang  area  blade  yang berputar.
Untuk  menganalisa  jenis  aliran  yang  terjadi  pada  area blade,  maka  dapat  diperhatikan  melalui  vector  kecepatan aliran  dari  inlet  sampai  dengan  outlet.  Karena  sudut  inlet mempengaruhi pola kontur a liran masuk rotor maka vector kecepatan yang dianalisa pola jenis alirannya adalah dengan sudut inlet 70 o seperti pada Gambar 8 berikut.
(a) (b)
Gambar  8.  Vektor  Kecepatan  Sudut  Inlet  70 o (a)  Low  Periodic  (b)  High Periodic.
Pada  Gambar  8a  merupakan  area  tampak  bagian low periodic (sisi cekung) dimana dari arah atas ke bawah adalah area  yang  menjauhi hub (dudukan  blade)  dan  dari  kiri  ke kanan  adalah  inlet  menuju  outlet.  Terlihat bahwa kecepatan mengarah  dari  inlet  ke  outlet  dengan  terjadi  peningkatan kecepatan  dan  fluida  mengalir  mengikuti  bentuk  blade dengan  kecepatan  yang  berbeda  disetiap  permukaan  yang dilaluinya.  Peningkatan  kecepatan  terjadi  pada  area  yang menjauhi hub, sedangkan  pelemahan  kecepatan  terjadi ketika  fluida  melewati  permukaan  cekung  blade  pada ujung outlet rotor yang menjauhi hub .
Pada  Gambar  8b  merupakan  area  tampak  bagian high periodic (sisi  cembung)  dimana  dari  arah  atas  ke  bawah adalah area yang menjauhi hub dan dari kanan ke kiri adalah inlet  menuju  outlet.  Sama  halnya  kecepatan  akan  menurun ketika  mendekati  hub  dan  melewati  permukaan  blade  yang cekung.  Berdasarkan  vector  kecepatan  yang  terbentuk  dan analisa  kenaikan  kecepatan  yang  signifikan,  maka  data dipastikan  bahwa  jenis  aliran  turbulen  terjadi  pada  area sepanjang blade rotor radial dengan fluida kerja R-134a.
Berdasarkan  analisa  profil  kecepatan  tersebut,  selain kedua  variasi  sudut  inlet,  maka  permukaan  blade  (sisi cembung  dan  cekung)  juga  mempengaruhi  profil  kecepatan aliran  yang  terjadi.  Interaksi  antara  fluida  dengan  dinding hub juga  mempengaruhi  kontur  kecepatan.  Perbedaan kecepatan aliran fluida akan berpengaruh terhadap distribusi tekanan di area sepanjang blade rotor.
2. Distribusi Tekanan Aliran Fluida
Jika  melakukan  analisa  terhadap  rotor  turbin,  maka distribusi  tekanan  sangat  penting  dilakukan  karena  rotor pada  turbin  bekerja  atau  berekspansi  menyebabkan terjadinya  penurunan  tekanan  yang  akan  mengindikasikan perubahan  entalpi  sepanjang  blade  rotor.  Karena  simulasi hanya  pada  satu  blade,  maka  distribusi  tekanan  yang dianalisa  secara  detail  sepanjang passage  body  blade ,  yang terdiri  dari  area hub,  shroud,  high  periodic,  low  periodic . Analisa  tekanan  dikaitkan  dengan  interkasi  fluida  dengan permukaan  dinding  yang  ada.  Secara  hukum  Bernoulli, semakin  cepat  arah  putaran  suatu  benda  berputra,  maka tekanan  yang  terjadi  pada  area  tersebut  akan  menurun, sehingga  kecepatan aliran pada area tersebut tinggi. Hukum ini  juga  berlaku  untuk  analisa  distribusi  tekanan  yang dihasilkan pada simulasi ini.
Pada  Gambar  9  merupakan  kontur  tekanan  pada permukaan shroud untuk  kedua  variasi  sudut  inlet.  Tampak perbedaan  yang  cukup  signifikan  antara  distribusi  tekanan pada sudut inlet 0 o dan 70 o . Sama seperti kontur kecepatan, bagian  atas  pada  gambar  merupakan  bagian high  periodic . Tekanan  sepanjang  area  inlet  sampai  dengan  outlet  terjadi penurunan  yang  cukup  signifikan  pada  kedua  variasi. Penurunan  tekanan  terbesar  dihasilkan  pasa  sudut  inlet  70 o , ditandai  dengan  luasnya  area  berwarna  biru  muda  yang mengindikasikan  terjadi  penurunan  tekanan  inlet.  Sehingga dapat  dikatakan  bahwa  pada  sudut  inlet  rotor  yang  besar akan  berpengaruh  pada pressure  drop yang  tinggi  karena kenaikan kecepatan yang terjadi.
(a) (b)
Gambar 9. Kontur Tekanan (a) Sudut Inlet 0 o (b) Sudut Inlet 70 o .
Selain  kecepatan,  hal  yang  menyebabkan  terjadinya penurunan  tekanan  yaitu permukaan  blade yang dilalui oleh fluida.  Saat  fluida  melewati  permukaan  blade  yang  cekung maka,  tekanan  di  area  tersebut  akan  lebuh  besar  dari  area yang  permukaannya  cembung  atau  datar.  Sehingga  blade untuk  rotor  turbin  didesain  agar  fluida  yang  mengalir menubruk  bagian  blade  yang  cembung  atau  berbalik  arah
dengan  sisi  cekungnya  agar  kecepatan  aliran  fluida meningkat sehingga tekanan yang dihasilkan semakin kecil.
Selanjutnya  dianalisa  distribusi  tekanan  pada  area permukaan  blade  yang  merupakan  batas  aliran  fluida ( shroud )  dan  pada  bagian  dinding hub. Karena  penurunan tekanan  yang  tinggi  dihasilkan  pada  variasi  sudut  inlet  70 o , maka  yang  akan  dianalisa  secara  detail  dibeberapa  lokasi adalah pada variasi sudut inlet 70 o .
(a) (b)
Gambar  10.  Kontur  Tekanan  Sudut  Inlet  70 o (a)Penampang Shroud (b) Penampang Hub.
Pada  Gambar  10a  merupakan  penampang  permukaan blade rotor tampak atas atau bagian selubung ( shroud ) , dari kiri  ke  kanan  merupakan  arah  inlet  menuju  outlet,  bagian bawah  blade  merupakan  bagian high  periodic .  Tampak bahwa  semakin  menjauhi hub tekanan  yang  dihasilkan semakin  kecil  di  area  blade  yang  terkena  tumbukkan  akibat rotasi  blade.  Berbeda  dengan  distribusi  tekanan  fluida  pada area hub, dimana  tidak  terjadi  penurunan  tekanan  yang signifikan karena dekat dengan dinding. Pressure drop pada area  hub  terjadi  pada  permukaan  blade  yang  cembung  dan sisi high periodic . Sehingga dapat dikatakan pada area yang dekat dengan dinding, tidak terjadi penurunan tekanan yang signifikan.
Selanjutnya  dianalisa  distribusi  tekanan  pada  area disekitar blade bagian high periodic dan low periodic dalam bentuk  3D  penampang  meridional  seperti  pada  Gambar  11 Untuk  gambar  (a)  blade  berputar  dari  arah  kiri  ke  kanan, bagian bawah merupakan yang deat dengan hub , sedangkan gambar (b) blade berputar dari kiri ke kanan dan bagian kiri adalah yang dekat dengan hub . Fluida mengalir dari atas ke bawah  mengikuti  bentuk  penampang  meridional  blade.  Jadi jika  dilihat  dari  bentuk  3D,  yang  mengalami  tumbukkan adalah  fluida  yang  berada  pada  daerah low  periodic . Permukaan  blade  (sisi  cekung  dan  cembung)  dapat  dilihat pada Gambar 12 (b).
(a) (b)
Gambar  11.  Kontur  Tekanan  Variasi  Sudut  Inlet 70 o (a) Penampang High Periodic (b) Penampang Low Periodic.
Gambar  11  menunjukkan  distribusi  tekanan  pada  daerah disekitar  area  blade  yang  memiliki  tingkat  kecepatan  tinggi dan  rendah  akibat  dari  arah  putaran  blade.  Terlihat  bahwa area  kecepatan  rotor  tinggi,  terjadi  penurunan  tekanan  yang
cukup  signifikan  dari  inlet  menuju  outlet  baik  di  area high dan low  periodic .  Pada  gambar  (a)  fluida  mengalami tumbukkan  sehingga  tekanan  berkurang.  Pada  area  yang dilingkari  merah, pressure  drop tertinggi  pada  daerah  putar blade  dan  semakin  mendekati  permukaan  yang  cekung, terjadi pelemahan kecepatan yang mengakibatkan tekanan di area  tersebut  lebih  tinggi.  Berbeda  dengan  fenomena  yang terjadi pada sisi low periodic yang dilingkari merah, tekanan daerah  tersebut  dipengaruhi  oleh  bentuk  permukaan  cekung blade  bagian  yang  dekat  outlet,  dimana  semakin  cekung bentuk  blade  maka  tekanan  diarea  tersebut  semakin  tinggi, sehingga terjadi pelemahan kecepatan yang cukup signifikan yang  berakibat  tekanan  menjadi  tinggi.  Pada  sisi high periodic tekanan  yang  dihasilkan  lebih  rendah  karena pengaruh tumbukkan fluida dengan arah putar blade.
Selanjutnya  area  yang  dianalisa  adalah  bagian  inlet  dan outlet dari blade rotor, karena penting mengetahui distribusi tekanan  masuk  dan  keluar  blade  rotor.  Seperti  yang dijelaskan  pada  bab  sebelumnya,  bahwa  fluida  masuk  pada arah  radial  dan  keluar  arah  aksial.  Seperti  pada  Gambar  12 (a)  fluida  masuk  dari  bagian  bawah,  berputar  radial mengikuti  arah  panah  dari  kiri  ke  kanan  dan  gambar  (b) merupakan outlet fluida keluar rotor.
(a) Gambar 12. Kontur Tekanan Variasi Sudut Inlet 70 o (a) Area Inlet (b) Area Outlet.
Pada  daerah  inlet  terlihat  bahwa  tekanan  total  bernilai konstan sebelum akhirnya mengenai blade rotor. Pada ujung blade  inlet  mulai  terjadi  penurunan  tekanan  yang  ditandai dengan perbedaan warna kontur dari merah menjadi kuning. Untuk  daerah high  periodic ,  fluida  mengalami  penurunan tekanan yang cukup signifikan dibandingkan sisi sebelahnya. Akibat  dari  kecepatan  relative  rotor,  dibeberapa  daerah terjadi pressure drop akibat dari adanya gesekan yang besar antara  fluida  dengan  blade  rotor.  Pada  posisi  ini  dapat dilakukan  analisa  dampak  dari  perbedaan  daerah high periodic dengan low periodic yang menyebabkan perbedaan tekanan  yang  sangat  jelas  pada  tekanan  yang  dimiliki  oleh fluida  yang  berputar  pada  satu  blade.  Karena  tidak  ada interaksi  antara  blade  sebelahnya,  tekanan  yang  dihasilkan oleh  fluida  merupakan  akibat  dari  interaksi  fluida  dengan blade.
Pada  Gambar  12  menunjukkan  bahwa  saat  aliran  fluida memasuki  blade  rotor  dan  mengenai  penampang leading edge terjadi  separasi  tekanan  fluida.  Sedangkan  pada  outlet rotor  terlihat  proses  ekspansi  berada  pada  tahap  akhir dengan  penurunan  tekanan  yang  lebih  besar  pada  daerah high  periodic .  Perputaran  rotasi  blade  ke  arah  radional menyebabkan  secara  paksa  aliran  udara  berputar  mengikuti arah  putaran  rotor  dengan  tujuan  agar  energi  yang  dimiliki oleh  fluida  dapat  diekspansi  secara  keseluruhan  sehingga
menghasilkan  daya  output  yang  lebih  besar  dibandingkan dengan  rotor  aksial.  Berdasarkan  hasil  simulasi  dengan melihat  kontur  tekanan  pada  beberapa  posisi,  dapat dikatakan  bahwa  dari  arah  inlet  sampai  ke  outlet  proses ekspansi  rotor  turbin  berhasil,  karena  tekanan  yang dihasilkan  mengalami  penurunan.  Semakin  kecil  tekanan yang ihasilkan maka turbin bekerja secara optimal.

## C. Pembahasan
Hasil  penelitian  pada  paper  eksperimen  (Arifin,  2014) mengidentifikasikan  bahwa  putaran  rotor  berpengaruh terhadap  aliran steady .  Dengan  mengetahui  profil  aliran sekitar  rotor  maka  kita  dapat  menganalisa  efek  daya  dan properti  aerodinamikanya.  Karena  keterbatasan  waktu peneliti  dalam  melakukan  simulasi,  maka  profil  aliran  yang dianalisa  yaitu  pada single  blade rotor  radial  turbin  dengan menggunakan  fluida  kerja  R-134a.  Jika  dilihat  dari karakteristik  termodinamika  R-134a,  dengan  nilai  densitas sebesar  511.9  kg/m 3 dan  viskositas  1.75x10 -5 maka  aliran yang terjadi adalah cenderung turbulen. Hal ini dapat dilihat pada  kontur  streamline  dimana  terjadi  fluktuasi  kecepatan yang  tinggi  dan  tidak  teratur.  Untuk  itu,  sangat  penting memilih fluida kerja yang memiliki karakteristik termodinamika  yang  sesuai  dengan  hasil  yang  diharapkan pada suatu perancangan dan simulasi aliran.
Pada penelitian ini dilakukan variasi perancangan sudut inlet  rotor  yaitu  0 o dan  70 o ,  dimana  kedua  variasi  tersebut menghasilkan  profil  aliran  yang  berbeda  berdasarkan besaran yang dianalisa (kecepatan dan tekanan). Jika dilihat dari  profil  streamline,  perbedaan  sudut  inlet  berpengaruh pada  area  masuk  rotor,  dimana  jika  sudut  inlet  diperbesar 70 o maka  fluida  mengalir  dengan  arah  miring  (tidak  sejajar outlet nozzle ),  sehingga  fluida  masuk  tidak  mengalami separasi  yang  besar.  Jadi,  jika  blade  rotor  berputar  dengan kecepatatan tinggi (rpm), aliran fluida dapat dijaga/diarahkan  agar  berputar  sejajar  atau  tetap  mengikuti arah  putaran  rotor.  Selain  itu,  jika  sudut  inlet  tidak  diatur akan terjadi fenomena surge dan stonewall . Pemilihan rotor turbin  radial  berdasarkan  sudut  inlet  bergantung  pada kebutuhan,  jika  ingin  merancang  turbin  radial  jenis  inflow maka  sudut  inlet  0 o merupakan  pilihan  yang  tepat  karena beroperasi  pada  rentang  kecepatan  rotasi  yang  lebih  kecil. Jika dianalisa dari segi perancangan, maka dengan diaturnya sudut inlet rotor atau fungsi nozzle yang dapat mengarahkan dan  mengekspansikan  energi  yang  dimiliki  fluida  menjadi energi  kinetic  dengan  sudut  inlet  yang  optimum,  maka performa  rotor  dapat  mencapai  daya  maksimal  melebihi prediksi hasil perhitungan.
Selain profil berupa kontur dan vector kecepatan, profil distribusi tekanan sangat penting dalam analisa rotor turbin. Analisa  aliran  3D  pada  blade  rotor  radial  turbin mengidentifikasi  distribusi  tekanan  di  beberapa  area  atau titik,  yang  dimana  tidak  ditemukan  pada  aliran  2D.  Seperti yang ditunjukkan Gambar 13 terlihat jelas area high periodic dan low  periodic menghasilkan  distribusi  tekanan  yang sangat  berbeda,  begitu  pula  dari  area  yang  dekat  dan menjauhi hub dan/dinding blade menuju permukaan shroud . Semakin  jauh  dari  dinding  maka  tekanan  fluida  semakin kecil,  begitu  sebaliknya.  Jika  dilihat  dari  arah  inlet  menuju outlet maka dapat dikatakan dengan penurunan tekanan yang terjadi,  rotor  radial  hasil  simulasi  dapat  dioperasikan  sesuai dengan  prinsip  kerja  rotor  turbin.  Untuk  memberikan  nilai secara  kuantitatif  terhadap  profil  aliran  fluida  R-134a  yang
melewati single  blade rotor  radial  turbin,  maka  berikut adalah data besaran kecepatan, tekanan, dan total entalpi rata –  rata  yang  dihasilkan  oleh  kedua  variasi  sudut  inlet  rotor radial turbin.
Tabel 4. Data Kuantitatif Hasil Simulasi Parameter  Nilai Output  Rata  – Rata pada- Kecepatan Fluida (m/s) Tekanan (Pa) Total Entalpi (/kg) Inlet 1.903x10 1 3x10 5 5.673x10 4 Sekitar Blade 4.037x10 1 1.957x10 5 5.415x10 4 Outlet 4.049x10 1 1.68x10 5 3.736x10 4
Berdasarkan nilai tersebut, maka pada single blade rotor radial  untuk  aplikasi  pada  turbin  dapat  dikatakan  terjadi peningkatan  kecepatan  fluida  disepanjang  inlet,  area  blade, sampai  ke  outlet.  Hal  ini  diiiringi  dengan  penurunan  nilai tekanan dan total entalpi. Penurunan entalpi mengidentifikasi  bahwa  pada  rotor,  energi  panas  yang dimiliki  oleh  fluida  kerja  R-134a  diubah  menjadi  energi kinetik untuk memutar poros.
Gambar  13.  Kontur  Tekanan  3D Passage  Body  Blade Rotor  Sudut  Inlet 70 o .
Berdasarkan  hasil  perancangan  dan  simulasi  geometri blade  rotor  radial  dapat  dikatakan  bahwa  rotor  yang dirancang  dengan  panjang hub atau chord 61.1418  mm dapat  dioperasikan  sesuai  dengan  kondisi  input  yang ditentukan untuk satu blade rotor radial. Karakteristik aliran fluida  kerja  organik  yaitu  refrigerant  134a  yang  mengalir pada  penampang  blade  rotor  adalah  aliran  terseparasi  yang disebabkan  oleh  interaksi  antara  fluida  yang  mengalir dengan  permukaan  benda  yang  cekung.  Pada  konsep  rotor untuk  turbin,  semakin  cekung  permukaan  suatu  benda  yang dilalui  oleh  fluida,  maka  akan  terjadi  pelemahan  kecepatan aliran  pada  area  tersebut.  Namun  secara  konsep  mekanika fluida  Hukum  Bernoulli,  semakin  tinggi  kecepatan  angular, tekanan  pada  daerah  tersebut  rendah,  sehingga  kecepatan aliran fluida yang melalui blade rotor semakin tinggi.

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  simulasi  dan  analisa  yang  telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.
1. Desain  geometri  untuk  blade  rotor  radial  turbin adalah berbentuk twist dengan  dimensi  airfoil  blade  yang diperoleh  dari  perancangan  menggunakan  software pada  Ansys  Blade  Gen  dengan  spesifikasi  yang disesuaikan dengan daya output yang diharapkan yaitu sebesar 10.497 kW dengan kecepatan rotasi 20000 rpm untuk  aplikasi  rotor  turbin  dengan  13  blade.  Adapun dimensi hasil perancangan airfoil memiliki panjang hub dan chord sebesar 61.1418 mm.
2. Karakteristik aliran fluida R-134a yang melewati single blade rotor  radial  disebabkan  oleh  fenomena  aliran fluida yang melewati suatu boundary . Permukaan blade dengan  sisi  cekung  dan  cembung  menyebabkan  pola aliran  yang  berbeda.  Semakin  mendekati  permukaan cekung,  kecepatan  fluida  mengalami  penurunan  yang berakibat pada peningkatan tekanan, begitu sebaliknya. Semakin tinggi kecepatan putar  blade pada suatu area, maka  tekanan  pada  daerah  tersebut  semakin  kecil, sehingga  kecepatan  aliran  fluida  yang  melewati penampang  tersebut  semakin  tinggi.  Hal  ini  sesuai dengan prinsip Hukum Bernoulli .

## LAMPIRAN
Prediksi Performa Rotor Radial (Ansys Vista RTD).

## DAFTAR PUSTAKA
[1] M.  Imran,  M.  Usman,  S. P. Byung, and Y. Yang, “Comparative Assessment  of  Organic  Rankine  Cycle  Integration  for  Low Temperature  Geothermal  Heat  Source  Applications,” Energy , vol. 102, pp. 473–490, 2016.
[2] M.  Yari,  “Exergetic  Analysis  of  Various  Types  of  Geothermal Power Plants,” Energy , vol. 35, pp. 112–121, 2010.
[3] D.  Balqis,  K.  Indriawati,  and  B.  L.  W.,  “Optimasi Daya Listrik pada  PT  Pertamina  Geothermal  Energy  Area  Kamojang,  Jawa Barat,” J. Tek. POMITS , vol. 1, no. 1, pp. 1–6, 2012.
[4] Y. W. Hong and L. P. Kuo, “Optimum Design and Simulation of A  Radial-Inflow  Turbine  for  Geothermal  Power  Generation,” Appl. Therm. Eng. , vol. 130, pp. 1299–1309, 2017.
[5] H.  Amsyari  and  T.  H.  Ariwibowo,  “Peranc  Numerik  Turbin Radial  untuk  Sistem  Organic  Rankine  Cycle,”  in Seminar Nasional Energi 5 Politeknik Negeri Jember , 2016.