## PENGARUH SUDUT KELENGKUNGAN SUDU SAVONIUS PADA HORIZONTAL
AXIS WATER TURBINE DI ALIRAN DALAM PIPA
Taufan Apha Sanditya 1 , Syamsul Hadi 1 , D. Danardono Dwi Prija Tjahjana 1
1 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Telp.0271632163
Email: taufansanditya07@gmail.com

## ABSTRACT
Water turbine is a device that works to convert water energy into mechanical energy in the form of a torque in turbine shaft. In this study, the angle of attack of Savonius water turbine with horizontal axis (HAWT), simulated using “Solidworks Flow Simulation” software, is obtained by applying the model in a flow through a pipe. The angle of attack used in this simulation is varied from 110  , 120  , 130  and 140  . The aims of this research are to obtain the optimum angle of attack with a debit of 0,0122 m 3 /s. Then the angle of attack of the blade is evaluated based on the torque, pressure contour and fluid velocity distribution. The results show that the optimum angle of attack is found at 120  with the torque about 3,8 Nm.
Keywords: picohydro, angle of attack, solidwork, savonius, torque

## PENDAHULUAN
Air  hujan  merupakan  salah  satu  potensi untuk  menciptakan  pembangkit  listrik  tenaga pikohidro.  Pikohidro  adalah  pembangkit  listrik tenaga  air  dengan  kapasitas  dibawah  5kW. Eksperimen  untuk  pemanenan  air  hujan  (RWH) menggunakan  tipe  turbin  Savonius single  stage pernah  dilakukan.  Hasilnya,  mampu  menyalakan lampu LED sebesar  0,3  watt.  Pembangkit  listrik dengan  sistem  RWH ini sangat  tergantung  pada efisiensi kemampuan rotasi sudu ( blade ) [1].
Penelitian tentang turbin air poros vertikal ( vertical  axis  water  turbine )  untuk  pembangkit listrik pada aliran dalam pipa dapat menghasilkan daya  listrik  sebagai supply monitor  dalam mengontrol kualitas air di dalam pipa . Daya listrik maksimal  yang  dicapai  adalah  88,2  W  dengan kecepatan  air  1,5  m/s  dan pressure  drop kurang dari  5  m.  Dalam  penelitian  ini  terlebih  dahulu dilakukan  simulasi  komputasional  dan  pengujian dalam skala lab. Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan  aplikasi  ANSYS  CFD  guna  untuk mengetahui  performa  dari  turbin  air  dan karakteristik  aliran  air  yang  ada  didalam  pipa saluran tersebut [2].
Upaya  peningkatan  efisiensi  turbin  terus dilakukan  dengan  beberapa  penelitian  dan eksperimen.  Ilmuwan  asal  Tunisia  melakukan penelitian mengenai sudut blade dengan pemodelan  numerik  menggunakan software solidworks untuk  mendapatkan  sudut blade yang optimal.  Penelitian  dilakukan  dengan  mengamati
pengaruh  peningkatan  kelengkungan  sudut blade (ψ) terhadap zona depresi dan zona percepatan [3]. Penelitiaan  lain  mengamati  kelengkungan  sudu turbin
Savonius dengan variasi sudut
kelengkungan  sudu  (ψ)  60°,  65°,  70°,  75°,  80°,
85°, dan 90° yang diuji dalam wave chanel . Hasil yang  didapatkan  menunjukan  bahwa  turbin Savonius  dengan  sudut  70 o adalah  yang  paling optimal  [4].  Eksperimen  dengan  memodifikasi turbin Savonius tanpa poros dan dengan end plate juga pernah dilakukan, dalam upaya meningkatkan koefisien daya dan untuk mendapatkan keseragaman torsi statis [5].

## METODOLOGI PENELITIAN
Desain  turbin  yang  akan  diuji  mengacu pada jurnal yang telah diteliti sebelumnya dengan jumlah sudu 5 [4]. Turbin mempunyai aspect rasio H/D = 1 dan parameter end plate Do/D = 1,1 [6]. Diameter turbin (D) adalah 82 mm sedangkan tebal adalah  2  mm.  Skema  desain  sudut  kelengkungan sudu  dicari  dengan  menggunakan  prinsip  sudut busur  pada  lingkaran  seperti  dijelaskan  pada gambar 1. Sudut busur ditulis dengan notasi (ψ), diameter  sudu  turbin  (d),  dan  diameter end  plate (Do).
Gambar 1. Skema desain sudut kelengkungan sudu
Desain  turbin  yang  diuji  adalah  turbin Savonius dengan variasi sudut kelengkungan sudu 110º, 120º, 130º, dan 140º seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Variasi sudut kelengkungan sudu turbin
Gambar 3 adalah gambar skema dari luas penampang  deflektor  dengan  sudut  kemiringan 45°  dan  deflector  ratio  50%  [7].  Diameter  pipa dalam (D) adalah 82 mm dengan luas penampang pipa  0,00528  m2.  Pemasangan  deflektor  tersebut bertujuan  untuk  meningkatkan  kecepatan  aliran fluida  dan  mengarahkan  aliran  fluida  mengenai sudu  turbin  yang  mempunyai  torsi  positif  atau bagian sudu turbin yang permukaannya cekung.
Gambar 3. Luas penampang deflektor

## HASIL DAN DISKUSI
Analisa studi simulasi dengan tujuan agar mengetahui  kemungkinan  desain  yang  terbaik dengan  variasi  sudut  kelengkungan  sudu  adalah 110º,  120º,  130º,  dan  140º.  Parameter  yang digunakan  pada  simulasi  adalah  debit  yang mengenai sudu turbin yaitu 0,0122 m 3 /s.
Gambar 4. Distribusi kecepatan fluida pada sudut 110º sampai dengan 140º
Hasil  simulasi  distribusi  kecepatan fluida  pada  Gambar  4  menunjukan  bahwa  setiap turbin  mempunyai  distribusi  kecepatan  dan  arah fluida  yang  berbeda,  dimana  distribusi  kecepatan fluida  tersebut  dibedakan  dengan  adanya  gradasi warna  dan  arah  fluida  ditunjukkan  dengan  anak panah.  Contohnya  pada  Gambar  4.a  distribusi kecepatan  fluida  sebelum  melewati  turbin ditunjukan dengan warna biru yaitu sekitar 1,7-3,3 m/s  setelah  melewati  turbin  ditunjukan  dengan warna  biru  hingga  biru  muda  yaitu  sekitar  1,7-5 m/s.  Sedangkan  warna  biru  tua  menunjukan adanya  distribusi  kecepatan  fluida  pada  bagian belakang  sudu  atau  bagian  cembung  sudu  yaitu sekitar 0-1,7 m/s, dimana jika terjadi penumpukan fluida  yang  semakin  banyak  di  bagian  ini  maka akan  menghambat  putaran  turbin  sehingga mengakibatkan penurunan performa turbin.
a. sudut kelengkungan 110º
b. sudut kelengkungan 120º c. sudut kelengkungan 130º d. sudut kelengkungan 140º a. Sudut kelengk ungan 110º b. Sudut kelengkung an 120º c. Sudut kelengk ungan 130º d. Sudut kelengkung an 140º
Gambar 5. Contour tekanan pada sudut 110º sampai dengan 140º
Hasil  simulasi contour tekanan  pada variasi  sudut  kelengkungan  110º,  120º,  130º,  dan 140º  dapat  dilihat  pada  Gambar  5  dimana ditunjukkan contour tekanan pada masing-masing turbin  berbeda.  Contohnya contour tekanan  pada gambar 5.a turbin mengalami gradasi warna pada setiap bagian sudunya. Warna kuning menunjukan tekanan yang terjadi pada sudu turbin yaitu sekitar 140-160  Mpa  dan  warna  jingga  menunjukan tekanan yang terjadi pada sudu turbin yaitu sekitar 160-180 MPa, sedangkan warna merah pada sudu turbin  menunjukan  tekanan  yang  terjadi  paling tinggi  yaitu  sekitar  180-200  Mpa.  Adanya perbedaan  tekanan  pada  sudu  turbin  yang ditunjukan dengan gradasi warna, hal ini disebabkan  karena  pada  sudu  turbin  berwarna kuning  hingga  jingga  aliran  fluida  yang  masuk terhalang  oleh  deflektor  yang  terpasang  pada bagian  sisi  masuk  turbin  sedangkan  pada  bagian sudu  turbin  yang  berwarna  merah  tekanan  yang terjadi paling tinggi karena  mengalami tumbukan langsung  dengan  aliran  fluida  yang  masuk.  Pada sudut  kelengkungan  120°  warna  merah  pada bagian  sudu  sangat  dominan  dibanding  sudu dengan  sudut  kelengkungan  110°,120°,  dan  130° sehingga torsi yang dihasilkan sudut kelengkungan 120° adalah yang paling besar.
Pada  hasil  simulasi  yang  diperoleh, kemudian  dibuat  tabel  perbandingan  antara  sudut kelengkungan sudu terhadap torsi yang dihasilkan. Hasil  nilai  torsi  pada  masing-masing  sudut kelengkungan sudu dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Pengaruh sudut kelengkungan sudu terhadap torsi No Sudut  Kelengkungan sudu (°) Torsi (Nm) 1 110 3,1 2 120 3,8 3 130 3,4 4 140 3,3
Setelah  didapat  nilai  torsi  seperti  pada Tabel 1 maka dapat dibuat grafik pengaruh sudut kelengkungan  sudu  dengan  torsi.  Pada  Gambar  6 grafik  menunjukkan  torsi  terendah  didapat  pada sudut  kelengkungan  110º  yaitu  3,1  Nm  dan tertinggi  didapat  pada  sudut  kelengkungan  120º yaitu  3,8  Nm  kemudian  mengalami  penurunan torsi pada sudut kelengkungan 130º yaitu 3,4 Nm dan  mengalami  penurunan  kembali  pada  sudut kelengkungan  140º  yaitu  3,3  Nm.  Hal  ini disebabkan  karena  adanya  tekanan  balik  pada bagian  belakang  sudu  atau  pada  bagian  cembung sudu  yang  semakin  besar.  Fenomena  distribusi kecepatan  fluida  pada  Gambar  1  menunjukan adanya  distribusi  kecepatan  fluida  yang  semakin banyak  pada  bagian  belakang  sudu  dimana distribusi  kecepatan  dibagain  ini  sangat  rendah yaitu  antara  0-5  m/s.  Kecepatan  yang  rendah mengakibatkan  tekanan  yang  tinggi,  hal  inilah yang  mengakibatkan  nilai  torsi  mejadi  turun karena menghambat putaran turbin.
Gambar 6. Grafik pengaruh sudut kelengkungan sudu dengan torsi 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 110 120 130 140 T o rsi (Nm ) Sudut kelengkungan sudu (°)
a. Sudut kelengkung an 110º a. Sudut kelengkungan 120º
b. Sudut kelengkung an 130º b. Sudut kelengkungan 140º

## KESIMPULAN
Berdasarkan  data  simulasi  yang  didapat dengan software ” solidwork  flow  simulation ”, dimana sudut kelengkungan sudu sangat berpengaruh pada kinerja turbin dengan mengamati  fenomena  hasil  distribusi  kecepatan fluida, contour tekanan,  dan  torsi  pada  variasi sudut  kelengkungan  sudu  yaitu  110º,  120º,  130º, dan 140º. Sudut kelengkungan sudu yang optimal didapat pada kelengkungan sudu 120º dengan nilai torsi adalah 3,8 Nm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Rosmin,  N.,  Jauhari,  A.S.,  Mustaamal,  A.H., Husin, F., Hassan, M.Y., 2015, Experimental Study for the Single-Stage and Double-Stage Two-Bladed  Savonius  Micro-Sized  Turbine for  Rain  Water  Harvesting  (RWH)  System , Elsevier Inc. Energy Procedia 68: 274–281.
[2] Chen, J., Yang, H.X., Liu, C.P., Lau, C.H., Lo, M.,  2013, A  Novel  Vertical  Axis  Water Turbine  for  Power  Generation  from  Water Pipelines , Elsevier Inc. Energy 54: 184–193.
[3] Driss, Z., Mlayeh, O., Driss, D., Maaloul, M., Abid, MS., 2015, Study of the Bucket Effect on the  Turbulent  Flow  Around  Unconventional Savonius  Wind  Rotors ,  Elsevier  Inc. Energy xxx: 1-2.
[4] Ahmed,  M.R.,  Faizal,  M.,  and  Lee,  Y.H., 2013, Optimization  of  Blade  Curvature  and Inter-Rotor  Spacing  of  Savonius  Rotors  for Maximum  Wave  Energy  Extraction ,  Elsevier
Inc. Ocean Engineering 65: 32–38.
[5] Kamoji,  M.A.,  Kedare  S.B.,  Prabhu,  S.V., 2009, Experimental  Investigations  on  Single Stage Modified Savonius Rotor , Elsevier Inc. Applied Energy 86: 1064–1073.
[6] Saha,  U.K.  dan  Roy,  S.,  2015, Wind  Tunnel Experiments  of  a  Newly  Developed  Two- Bladed Savonius-Style Wind Turbine , Elsevier Inc. Applied Energy, 137: 117-125.
[7] Rus  L.F.,  2012, Experimental  Study  on  the Increase  of  the  Efficiency  of  Vertical  Axis Wind  Turbines  by  Equipping  Them  with Concentrators ,  Sustainable  Energy,  Vol.  3, no. 1.