Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017 ISSN  0216-7492
PENGARUH BUKAAN SUDU PENGARAH TERHADAP KERUGIAN HEAD  DAN PERFORMANSI TURBIN FRANCIS VERTIKAL
Mansur P. Siregar 1 , A. Halim Nasution 2 , Syahril Gultom 3 , A. Husein Siregar 4 , Mahadi 5 1.2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : mansursiregar8@yahoo.com

## ABSTRAK
Pembangkit  Listrik  Tenaga  Air  masih  menjadi  tumpuan  utama  pembangkitan  energi  listrik  di dunia  khususnya  Indonesia.Data  pada  tahun  2006  menunjukan  bahwa  hampir  20%  kebutuhan listrik  dunia  berasal  dari   PLTA  atau  sekitar  88%  sumber  energi  terbarukan  berasal  dari pemanfaatan tenaga air. Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. Turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Hingga pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode keteknikan untuk  desain  turbin  air.  Turbin  Francis  dinamakan  sesuai  dengan  namanya,  yang  merupakan turbin  air  modern  pertama  dengan  efisiensi  lebih  dari  90  %.Oleh  karena  itu  dalam pengoperasiannya Turbin Francis harus optimal. Adapun tujuan penelitian ini yaitu membahas pengaruh  bukaan  sudu  pengarah  terhadap  kerugian  head  dan  performansi  Turbin  Francis. Kerugian head dihitung menggunakan rumus dan besarnya kerugian head pada  instalasi turbin dianalisa  dengan  menggunakan  software  Pipe  Flow  Expert  untuk  mendapatkan  ralat perhitungan. Kemudian dihitung daya dan efisiensi turbin Francis  Besarnya nilai kerugian head akan semakin besar seiring dengan bukaan sudu pengarah. Kerugian head terkecil yaitu 0,229 m kemudian akan terus naik hingga  bukaan maksimum 195 mm besarnya kerugian head mencapai 20,1375 m.  Efisiensi turbin Francis akan terus naik seiring bukaan sudu pengarah akan tetapi pada  bukaan  195  mm  efisiensi  turun  pada  titik  90,4  %.  Sehingga  didapat  bahwa  bukaan  sudu pengarah  yang  menghasilkan  efisiensi maksimum yaitu  pada  bukaan  160, 5  mm  yaitu  sebesar 98 %.
Kata kunci : Kerugian Head, Pipe Flow Expert, Daya, Efisiensi

## 1. PENDAHULUAN
Sumber  daya  energi  terbarukan  akan  menawarkan  pilihan  yang  lebih  bersih untuk menggantikan bahan bakar fosil. Sumber daya tersebut lebih sedikit atau bahkan tidak  mencemari  atau  pun  menghasilkan  gas  rumah  kaca,  dan  sumber  daya  tersebut akan tetap tersedia.
Energi  air  adalah  salah  satu  sumber  energi  dengan  daya  terbesar  yang  saat  ini digunakan di  belahan dunia. Keadaan ini menyebabkan pembangunan pusat  tenaga air sebagai penghasil energi alternatif menjadi pilihan yang menarik, PLTA  bersifat ramah lingkungan dan memiliki dampak yang sangat ramah lingkungan dibandingkan dengan pembangkit lain.
PLTA tergolong  pembangkit yang tidak menghasilkan limbah secara langsung. Kelebihan  lain  adalah  level  emisi  gas  rumah  kaca  karbondioksida  dari  PLTA  yang sangat  rendah  dibandingkan  dengan  pembangkit  yang  menggunakan  bahan  bakar  dari fosil.
Dengan besarnya keuntungan tersebut, banyak negara membangun PLTA untuk memenuhi  kebutuhan  listrik  mereka.  Pada  pengoperasian  sebuah  PLTA  digunakan berbagai  variabel  agar  PLTA  tersebut  dapat  beroperasi  optimal.  Diantara  variabel tersebut diantaranya adalah pengaturan bukaan sudu pengarah yang akan mempengaruhi besarnya nilai kerugian head dan performansinya. Oleh sebab itu sudu pengarah sangat
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017
penting diatur sedemikian rupa  agar turbin  Francis  dapat  bekerja pada efisisiensi yang terbaik.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Persamaan Mekanika Fluida

## Massa Jenis
Massa jenis merupakan perbandingan massa per volume fluida pada tekanan dan temperatur tertentu[1] . Massa jenis disimbolkan dengan  (rho) dengan persamaan:
 = m v .........[1]
Debit Air Debit dihitung dengan persamaan: Q = V. A......[2]

## Persamaan Kontinuitas
Jika  sebuah  fluida  tak  termampatkan  mengalir  sepanjang  pipa  ,  massa  fluida yang melewati tiap pipa itu dinyatakan:
A 1 V 1 =  A 2 V 2 .......................[2] Dimana: A 1 = Luas Penampang 1 V 1 = Kecepatan Aliran Fluida 1 A 2 = Luas Penampang 2 V 2 = Kecepatan Aliran Fluida 2

## Persamaan Bernoulli
Persamaan bernoulli menyatakan bahwa pada fluida tak termampatkan ( incompressible ) yang  mengalir  sepanjang  pipa  maka  total  energinya  sama  pada  saaat  partikel  fluida mengalir dari satu titik ke titik lainnya [1]. Dan dirumuskan:
2 2 2 2 1 2 1 1 z 2g V γ p z 2g V γ p + + = + + ......[3]
Dimana: P= Tekanan fluida (Pa)  = kerapatan air (N/m 3 ) V = kecepatan Aliran Air Fluida (m/s) z= Ketinggian head (m) g= kecepatan gravitasi (m/s 2 )

## Kerugian Head Mayor
Kerugian  head  ini  terjadi  akibat  adanya  gesekan  antara  dinding  pipa  dengan fluida  yang  mengalir  di  dalamnya  [2].  Persamaan  umumnya  ada  2  yaitu  Darcy- Weisbach dan persamaan Hazen-Williams.
Persamaan Darcy-Weisbach:
h f = f 𝐿 𝐷 . 𝑣 2 2𝑔 ......[4]
Dimana: h f = kerugian head mayor (m) L =panjang pipa (m) D = diameter dalam dari pipa (m) v =kecepatan aliran fluida (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) f  = koefisien Moody.
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017
Persamaan Hazen-Williams
h f = 10,666 𝑄 1,85 𝐶 1,85 𝑑 4,85 L.......[5]
h f = kerugian gesekan dalam pipa  (m) Q = laju aliran dalam pipa (m 3 /s) L = panjang pipa (m) C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams d = diameter pipa (m)

## Kerugian Head Minor
Kerugian ini terjadi karena kelengkapan pipa seperti belokan, siku, sambungan, katup  dan  sebagainya  yang  disebut  dengan  kerugian  head  minor[4].  Kerugian  head minor dirumuskan:
h m = Σ n.k . 𝑉 2 2𝑔 .........[6]
dimana: n = jumlah kelengkapan pipa k = koefisien kerugian minor v = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s) g= percepatan gravitasi (m/s 2 )

## Turbin Francis
Turbin Francis paling banyak digunakan di Indonesia. Teknik mengkonversikan energi potensial menjadi energi mekanik pada roda turbin air dilakukan melalui proses reaksi sehingga turbin francis sering disebut turbin reaksi. [7]

## Head efektif
Yang dimaksud dengan head efektif adalah tinggi jatuh air aktual dikurangi total kerugian head ( head losses ), dengan persamaan berikut:
H eff = H max -  H L ....[8]
Daya Air (WHP), Daya turbin (BHP) dan Efisiensi Adapun perumusannya yaitu:
WHP= Q .  . g . H effektif ....[9]
𝑃𝑔 =  . g. 𝑄 . 𝐻 . 𝜂𝐺 . 𝜂 𝑡 urbin ...[9] 𝐵𝐻𝑃 = 𝑃𝐺  𝐺 .......[9] 𝜂 turbin = 𝐵𝐻𝑃
𝑊𝐻𝑃 ...[10]
Dimana: Q = Debit air (m 3 /s) g = Gaya gravitasi (m/s 2 ) H = Head (m) P g = Daya generator (watt)  = massa jenis air ( / 𝑚 3 ) 𝜂 𝐺 = Efisiensi generator (%) 𝜂 𝑡 urbin = Efisiensi turbin (%) WHP = Daya air (watt) 𝐵𝐻𝑃 = Daya turbin (watt)
3. METODOLOGI PENELITIAN
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017

## Metode pengumpulan data
Data yang dipergunakan dalam pengujian ini meliputi :
a. Data primer, merupakan data yang diperoleh dari pengujian di PLTA Siguragura Unit 3 PT. Inalum (Persero)
b. Data  sekunder,  merupakan  data  yang  bersumber  dari  pustaka-pustaka  yang mendukung penelitian.

## Metode Pengolahan Data
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian  yaitu  metode  eksperimental  dan analisis.  Data  diolah  menggunakan  rumus  yang  ada  dan  dihitung  menggunakan Microsoft  Excel  dan  program  Pipe  Flow  Expert,  kemudian  hasil  dari  perhitungan disajikan dalam bentuk tabulasi dan grafik.

## Alat Pembacaan Data
a. Guide Vane Meter b. Power Meter c. Precise Mercury Termometer d. Ultrasonic Flowmeter e. Local Control Room (LCR)

## Instalasi Penelitian
Adapun instalasi PLTA Siguragura dapat dilihat di gambar 1 berikut ini:
Gambar 1. Instalasi PLTA Siguragura Keterangan: 1. Bendungan Siguragura
2. Head Race Tunnel
3. Penstock
4. Generator
5. Turbin Francis
6. Draft Tube
7. Tailrace

## Prosedur Penelitian
Adapun Prosedur pada penelitian ini yaitu
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017
1. On The Job Training “ efficiency test” unit 3 Siguragura”
2. Survey kembali Lapangan di PLTA siguragura unit 3
3. Pengambilan data
4. Dihitung kerugian head menggunakan rumus di Ms. Excel
5. Jaringan pipa disimulasikan menggunakan program Pipe Flow Expert v.12
6. Dianalisa data untuk memperoleh ralat kerugian head
7. Dihitung daya air ( WHP ) dan daya Turbin ( BHP )
8. Dihitung efisiensi Turbin Francis Vertikal Unit 3 Siguragura.

## 4. ANALISA & PEMBAHASAN
Hubungan  Antara  Bukaan  Sudu  Pengarah(  Guide  Vane  Opening/  GVO)  dengan Debit Air Masuk Turbin
Pada  saat  pengujian  dilakukan  pembukaan  Sudu  Pengarah  sebesar  195  mm; 160,5  mm;  150  mm;  143  mm;  136  mm;  129,5  mm;  102  mm;  78  mm  dan  19,5  mm. Bukaan  sudu  pengarah  dalam  data  akan  disimbolkan  dengan  GVO  ( Guide  Vane Opening ).
Adapun  pengaruh  bukaan  sudu  pengarah  terhadap  debit  air  masuk  turbin  dapat  dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Grafik Hubungan Bukaan Sudu Pengarah terhadap Debit Air Masuk Turbin Dari  gambar  2  dapat  lihat  bahwa  semakin  besar  bukaan  sudu  pengarah  maka debit  air  masuk  turbin  akan  semakin  besar  pula  hal  ini  dekarenakan  katup  bukaan  air akan semakin besar untuk memasuki turbin. Pada bukaan terkecil yaitu 19,5 mm debit air  masuk  turbin  yaitu  4,251  m 3 /s  dan  akan  terus  naik  hingga  bukaan  195  mm  yaitu sebesar 42,14 m 3 /s.

## Pengaruh Bukaan Sudu Pengarah Terhadap Kerugian Head dan Head Efektif
Semakin besarnya kerugian head yang terdapat pada turbin ini diakibatkan oleh semakin besarnya debit air yang masuk turbin dan semakin cepatnya aliran air di dalam turbin.  Adapun  pengaruh  bukaan  sudu  pengarah  terhadap  kerugian  head  dapat  dilihat pada gambar 3 berikut.
Gambar 3. Grafik hubungan Bukaan Sudu Pengarah terhadap Kerugian Head Total Dari gambar 3 dapat dilihat  bahwa semakin besar bukaan sudu pengarah  maka akan  bertambah  juga  besarnya  kerugian  head.  Pada  bukaan  19,5  mm  kerugian  head sebesar 0,229 m dan terus naik seiring bukaan sudu pengarah hingga pada bukaan 195 mm kerugian head sangat besar yaitu mencapai 20, 1375 m.
Semakin  besar  bukaan  sudu  pengarah  maka  head  efektif  yang  bekerja  pada Turbin  Francis  akan  semakin  kecil.  Hal  ini  dikarenakan  nilai  kerugian  head  yang semakin besar perbukaan sudu pengarah. Hubungan bukaan sudu pengarah dengan head efektif dapat dilihat pada gambar 4.
Gambar 4. Grafik hubungan Bukaan Sudu Pengarah terhadap Head Efektif Dari gambar 4 diatas terlihat bahwa semakin besar bukaan sudu pengarah maka head  efektif  yang  bekerja  pada  turbin  akan  semakin  kecil.  Head  efektif  terkecil  yaitu pada bukaan 195 mm yaitu sebesar 210,76 m dan terbesar paada bukaan 19,5 mm yaitu sebesar  230,67  m.  Hal  ini  terjadi  karena  besarnya  kerugian  head  yang  semakin meningkat perbukaan sudu pengarah seperti dijelaskan sebelumnya.

## Analisa Kerugian Head Menggunakan Program  Pipe Flow Expert v.12.1
Untuk medapatkan persen ralat penghitungan kerugian head digunakan program Pipe  Flow  Expert  v.12.1.  Jaringan  Pipa  pada  program  Pipe  Flow  Expert  dapat  dilihat pada gambar 5.
Gambar 5. Jaringan Pipa pada Program Pipe Flow Expert Dengan menggunakan program Pipe Flow Expert dihitung besarnya kerugian head pada tiap-tiap  bukaan  sudu  pengarah  mulai  dari  bukaan  195  mm  sampai  19,5  mm. Perbandingan hitungan rumus di  Ms.  Excel  dan proran Pipe Flow  Expert dapat  dilihat pada gambar 6 berikut.
Gambar  6.  Grafik  hubungan  Bukaan  Sudu  Pengarah  terhadap  kerugian  Head  Teoritis dan Program
Dari  grafik  diatas  terlihat  bahwa  besarnya  kerugian  head  total  hasil  simulasi software  Pipe  Flow  Expert  memiliki  nilai  yang  sedikit  lebih  kecil  daripada  hasil perhitungan  teoritis.  Terdapat  persen  ralat  yang  paling  kecil  3,84  %  dan  yang  paling besar 7,60 %. Penyumbang persen ralat paling besar yaitu pada kerugian head mayor.

## Daya Air (Water Horse Power)
Adapun  pengaruh  bukaan  sudu  pengarah  terhadap  daya  air  dapat  dilihat  pada gambar 7.
Gambar 7. Grafik Hubungan Bukaan Sudu Pengarah(GVO) dan Daya Air (WHP) Dari  grafik  diatas  terlihat  bahwa  besarnya  daya  air  akan  semakin  besar  seiring dengan semakin besarnya bukaan sudu pengarah Pada bukaan 19,5 mm daya air sebesar 9,5  MW  terus  naik  hingga  bukaan  195  mm  mencapai  86  MW . Hal  ini  dikarenakan untuk menghitung daya air merupakan hasil perkalian antara daya, percepatan gravitasi, rapat  jenis  air  dan  head  efektif  yang  bekerja.Debit  air  yang  semakin  besar  akan berbanding terbalik dengan head efektif yang semakin kecil. Debit air yang begitu besar mempengaruhi  besarnya  daya  air.  Data  daya  air  kemudian  akan  digunakan  untuk menghitung efisiensi turbin francis vertikal.

## Daya Terbangkit
Adapun  pengaruh  bukaan  sudu  pengarah  terhadap  daya  air  dapat  dilihat  pada gambar 8.
Gambar 8. Grafik Hubungan Bukaan Sudu Pengarah (GVO) dengan Daya Terbangkit
Data  daya  terbangkit  hasil  pembacaan Power  Meter akan  digunakan  untuk menghitung  daya  turbin.  Hal  ini  dikarenakan  alat  pembaca  daya  keluaran  turbin  tidak tersedia  pada  PT.  Inalum.  Jadi  untuk  menghitung  digunakan  data  daya  terbangkit  dan efisiensi  generator.  Semakin  besar  bukaan  sudu  pengarah  turbin  francis  maka  daya terbangkit akan semakin besar.
Dari grafik diatas terlihat bahwa daya yang dibangkitkan oleh sistem mengalami nilai  yang  signifikan  naik  hingga  bukaan  160,5  mm  dan  pada  bukaan  195  mm mengalami kenaikan tetapi tidak terlalu signifikan.
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.4 Desember 2017

## Daya Turbin ( Brake Horse Power)
Adapun  pengaruh  bukaan  sudu  pengarah  terhadap  daya  turbin  dapat  dilihat  pada gambar9.
Gambar 9. Grafik Hubungan Bukaan Sudu Pengarah (GVO) dengan Daya Turbin Dari  grafik  diatas  terlihat  bahwa  Turbin  menghasilkan  daya  paling  kecil  pada bukaan 19,5 mm yaitu sekitar 6,4 MW dan tertinggi pada bukaan 195 mm yaitu sekitar 78  MW.  Daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin    mengalami  kenaikan  yang  signifikan  dari bukaan  19,5  mm  hingga  bukaan  160,5  mm  dan    pada  bukaan  195  mm  mengalami kenaikan tetapi tidak terlalu signifikan.

## Efisiensi Turbin
Efisiensi akan terus naik seiring bukaan sudu pengarah akan tetapi pada bukaan 195  mm  efisiensi  turun  pada  titik  90,4  %.  Sehingga  didapat  bahwa  bukaan  sudu pengarah  yang  menghasilkan  efisiensi  maksimum  yaitu  pada  bukaan  160,  5  mm  yaitu sebesar  98  %.  Pada  bukaan  maksimum    195  mm  turbin  akan  mengalami  penurunan efisiensi,  hal  ini  dikarenakan  turbin  berputar  terlalu  cepat  dari  kecepatan  turbin maksimal.
Hasil akhir dari penelitian ini yaitu efisiensi turbin francis vertikal seperti pada gambar 10 berikut.
Gambar  10.  Grafik  Hubungan  Bukaan  Sudu  Pengarah (GVO) dengan  Efisiensi  Turbin Francis Vertical
Besarnya  efisiensi  yang  dihasilkan  oleh  turbin  juga  karena  pengaruh  kualitas dari  komponen  turbin  tersebut.    Besarnya  nilai  efisiensi  turbin  siguragura  unit  3  salah satu  faktor  penyebabnya  yaitu  turbin  pada  Unit  3  PLTA  Siguragura  telah  diganti  baru ( renewable/improvement ) untuk meningkatkan efisiensi yaitu tepatnya pada tahun 2010.

## 5. KESIMPULAN
1. Pada  Turbin  Francis  Vertikal  semakin  besar  bukaan  sudu  pengarah  maka  akan berbanding  lurus  dengan  besarnya  kerugian  head  yang  terjadi  pada  turbin  tersebut. Pada bukaan terkecil yaitu 19,5 mm besarnya kerugian head yaitu 0,229 m kemudian akan  terus  naik  hingga  pada  bukaan  maksimum  195  mm  besarnya  kerugian  head mencapai 20,1375 m. Semakin besarnya kerugian head yang terdapat pada turbin ini diakibatkan oleh semakin besarnya debit air yang masuk turbin, juga karena semakin besarnya kecepatan aliran air di dalam instalasi turbin.
2. Pada  simulasi  program  Pipe  Flow  Expert  didapat  nilai  kerugian  head  terkecil  yaitu pada bukaan 19,5 mm yaitu sebesar  0,212 m dan kemudian akan naik hingga bukaan maksimum 195 mm didapat besarnya kerugian head sebesar 19,365 m. Perbandingan hasil  perhitungan  kerugian  minor  teoritis  dan  simulasi  didapat  persen  ralat  yang sangat  kecil sedangkan pada kerugian head mayor terdapat  persen ralat yang cukup besar.
3. Daya turbin minimum dihasilkan pada bukaan 19,5 mm yaitu sebesar 6,4 MW akan terus  naik  signifikan  hingga  bukaan  160,5  mm  sebesar  73  MW  akan  tetapi  pada bukaan 195 mm daya turbin tetap naik tetapi tidak signifikan yaitu hanya sebesar 78 MW.  Hal  ini  disebabkan  oleh  semakin  besarnya  debit  air  masuk  turbin  juga  oleh head  efektif  yang  semakin  kecil.Pada  Turbin  Francis  Vertikal  didapat  efisiensi minimum  terjadi  pada  bukaan  19,5  mm  yaitu  sebesar  67,4  %.  Efisiensi  akan  terus naik seiring bukaan sudu pengarah akan tetapi pada bukaan 195 mm efisiensi turun pada  titik  90,4  %.  Sehingga  didapat  bahwa  bukaan  sudu  pengarah  yang menghasilkan efisiensi maksimum yaitu pada bukaan 160, 5 mm yaitu sebesar 98 %.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Young, Hugh D. and friends. 2002. Fisika Universitas . Erlangga. Jakarta.
[2]   Khurmi,  R.S.  Gupta,  J.K.    1987. Mechanical    Engineering  (Conventional  and Objective Type) . S. Chand & Company Limited. New Delhi.
[3] Shames,  Irving  H.  2005. Mechanic  of  Fluids.. McGraw-Hill  Companies. Singapore.
[4] Munson.  Bruce  R.  and  friends.  2006. Fundamentals  Of  Fluid  Mechanics .  John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. New Jersey.
[5] American  Water  Works  Association.2004 .    Steel  Pipe-  A  Guide  for  Design  and Instalation. Denver USA.
[6] Rajput,  R.K.  2007. Hydraulic  Machines(Fluid  Power  Engineering) .  S.  Chand  & Company Ltd. New Delhi.
[7] Marsudi, Djiteng. 2005. Pembangkitan Energi Listrik . Erlangga. Jakarta
[8] Dietzel, Fritz. 1996. Turbin, Pompa dan Kompresor . Erlangga. Jakarta.
[9] Dandeekar, M.M. 1979. Water Power Engineering. Vikas Publishing. Mumbai
[10]  Agrawal, S.K. 1997. Fluid Mechanics and Machinery . Tata Mc. Graw Hill. New Delhi.