© 2021 Pres Univ Press Publication, Indonesia

## Pengaruh Jumlah Sudu 8, 12, 16 dan 20 terhadap Performa Hidro-Turbin Cross-Flow dengan sudut 15° Menggunakan Metode Computational Fluids Dynamics
Dandun Mahesa Prabowoputra 1,a , Purwanto 2,b , Ahmad Janan Febrianto 3,c
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan sains, Universitas Muhammadiyah Purwokerto, Jawa Tengah
2 Jurusan Teknik mesin, Fakultas Teknik, Universitas Maritim AMNI Semarang, Jawa Tengah
a dandunmahesa@ump.ac.id

## Abstrak.
Energi  listrik  merupakan kebutuhan primer dalam  kehidupan sehari-hari. Perkembangan teknologi mengakibatkan  meningkatnya  kebutuhan  energi  listrik  setiap  tahunnya.  Energi  baru  terbarukan memasok  kebutuhan  energi  listrik  nasional  sebesar  14%.  Di  sisi  lain,  pemerintah  mengharapkan komposisi energi  baru terbarukan sebesar 23% hingga 31% pada tahun 2050. Hal  ini menunjukan bahwa energi baru terbarukan masih memiliki gap yang cukup tinggi. Penelitian ini merupakan salah satu  upaya dalam pengembangan energi  baru terbarukan, terutama pada  pembangkit listrik  mikro- pico  hidro.  Penelitian  ini  dilakukan  menggunakan  metode  Computational  Fluid  Dynamics menggunakan Aplikasi Ansys dengan CFX Solver. Penelitian dilakukan untuk mengetahui pengaruh jumlah  sudu  pada  hidro-turbin  cross-flow  terhadap  performa  Coefficient  of  Power.  Peneltian dilakukan pada rotor dengan dimensi diameter 80 mm, panjang 130 mm dan sudut sudu 15°. Variasi jumlah sudu dilakukan pada jumlah sudu 8, 12, 16, dan 20. Simulasi dilakukan pada steady state, dan menggunakan tipe turbulen Shear Stress Transport. Turbin cross-flow beroperasi pada kecepatan air 3m/s dengan kecepatan sudut pada interval 50 sampai 350 RPM.  Hasil menunjukan Coefficient of Power  Maximum  yang  dihasilkan  untuk  sudu  8,12,  16  dan  20  adalah  10,8%;  14,1%;  16,8%  dan 20,1%. Dari hasil tersebut menunjukan performa maksimal dihasilkan oleh hidro-turbin tipe cross- flow dengan jumlah sudu rotor 20.
Kata kunci . CFD; Energi Baru Terbarukan; Cross-Flow; Hidro-Turbin; Coefficient of Power

## Abstract.
Electrical energy is a primary need in our daily lives. Technological developments have resulted to an increase in the consumption of electrical energy every year. New and renewable energy supplies the national electricity demand by 14%. on the other hand, the government expects the composition of the new renewable energy by 23% to 31% in 2050. This shows that renewable energy still has a relatively  high  gap.  This  study  is  one  of  the  efforts  in  the  development  of  renewable  energy, particularly  on  electricity  generation  Micro-Pico  Hydro.  This  research  was  conducted  using  the Computational Fluids Dynamics method using Ansys application with CFX Solver. The research was conducted to  determine the effect  of the number  of blades on the hydro-turbine cross-flow on the performance of the Coefficient of Power. The research was conducted on a rotor with dimensions of 80 mm in diameter, 130 mm in length and 15 ° blade angle. Variations in the number of blades were carried out  on the number of blades  8,  12, 16,  and 20. Simulations  conducted at  steady state,  and using a type of Shear Stress Transport turbulent. The cross-flow turbine operates at a water velocity of 3m / s at angular velocity at intervals of 50 to 350 RPM. The results show that the Coefficient of Power Maximum generated for blades 8,12, 16 and 20 is 10.8%; 14.1%;  16.8% and 20.1%. From these results, it shows that  the maximum performance is  produced by the  Cross-Flow type hydro- turbine with a number of rotor blades of 20.
Keywords: CFD; Renewable Energy; Cross-Flow Turbine; Hydro-Turbine; Coefficient of Power

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2021

## 1.Pendahuluan
Indonesia  merupakan  salah  satu  negara  yang  memiliki  potensi  energi  baru  terbarukan  yang sangat besar. Tabel 1 menunjukan data potensi sumber energi terbarukan di indonesia yang diperoleh dari outlook energi Indonesia [1]. Data tersebut menunjukan bahwa energi air memiliki potensi yang cukup besar yaitu 94,5 GW. Hal ini merupakan peluang besar bagi penelitian dibidang pembangkit tenaga air untuk mengembangkan energi baru terbarukan di indonesia. Dimana ini akan membantu dalam  pencapaian  program  yang  di  canangkan  oleh  pemerintah  yang  memberikan  target  bauran energi baru terbarukan sebesar 23% sampai 31% pada tahun 2050 [1]. Dimana penelitian mengenai energi baru terbarukan ini dapat dilakukan menggunakan perangkat lunak atau secara simulasi [2].
Tabel 1. Potensi Energi Baru terbarukan [1] Jenis Energi Potensi Tenaga Air 94,3 GW Panas Bumi 28,5 GW Bio Energi 32,6 GW Surya 207,8 Gwp Angin 60,6 GW Energi Laut 17,9 GW
Penelitian  mengenai  hidro-turbin  mengalami  perkembangan  dalam  beberapa  tahun  terakhir. Penelitian tersebut antara lain mengenai turbin air savonius, turbin air darrieus, dan turbin air cross- flow. Variasi yang dilakukan antara lain bentuk sudu [3, 4], Rasio diameter [5], jumlah stage [6],  dan rasio ketebalan [7], baik dilakukan secara experimen maupun pendekatan numerikal. Faktor-faktor yang mempengaruhi performa turbin antara lain faktor geometri, propertis fluida dan material turbin [8, 9]. Turbin tipe cross-flow merupakan salah satu dari jenis Hidro-Turbin [10]. Implementasi tipe Cross-Flow  dapat  digunakan  sebagai  Pembangkit  Listrik  Mikro-hidro  [11].  Beberapa  faktor  yang mempengaruhi performa pada turbin cross-flow adalah jumlah sudu [12], diameter rotor, ketebalan, nozzle dan nozzle entry [13]. Pada penelitian kali ini adalah melakukan analisa pengaruh geometri terhadap performa turbin air.
Pada  penelitian  kali  ini  dilakukan  pada  desain  turbin  cross-flow  dengan  sudut  15°  dengan  variasi jumlah sudu 8, 12, 16 dan 20.  Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui jumlah sudu paling efektif yang  menghasilkan  performa  terbaik  pada  Hidro-turbin.  Dimana  penelitian  ini  dilakukan  pada kecepatan fluida 3 m/s dan kecepatan putar 50 - 350 RPM.

## 2.Desain Rotor dan Data Reduksi
Turbin yang digunakan dalam penelitian ini adalah turbin air tipe cross-flow. Desain turbin yang digunakan  ditunjukan  pada  gambar  01.  Dimensi  yang  digunakan  untuk  rotor  cross-flow  adalah diameter luar (D1) 80 mm, diameter dalam (D2) 60 mm, panjang rotor 130 mm, jari-jari sudu (rr) 10 mm dengan kemiringan (ϴ) 15° dan ketebalan rotor 1,5 mm. Variasi yang dilakukan pada turbin air pada penelitian ini adalah perbedaan jumlah sudu, yaitu 8, 12, 16 dan 20.

## Gambar 01. a) rotor 8 sudu, b) Rotor 12 sudu, c) Rotor 16 sudu, d) Rotor 20 sudu dan e) keterangan dimensi rotor
Perhitungan kalkulasi performa Hidro-turbin cross-flow menggunakan persamaan berikut ini : P Available = 0,5 ×ρ × A ×V 3
(1) 𝑃 𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑇 × 𝜔 (2) 𝜔            = 2𝜋𝑛 60 (4)
Cp = P Rotor P Available
(5)
Dimana, A merupakan luas proyeksi rotor, ρ untuk massa jenis air, ω kecepatan Angular, T adalah torsi, Cp  merupakan Coefficient  of  Power , n  merupakan kecepatan  putar, dan  V  adalah kecepatan Aliran Fluida [14].

## 3.Permodelan Numerikal
Penelitian  hidro-turbin  cross-flow  ini  dilakukan  menggunakan  metode  CFD,  menggunakan perangkat  lunak Ansys  Student  Version  2021R dengan  CFX Solver .  Hidro-turbin  disimulasikan menggunakan permodelan tiga dimensi. Axis rotor adalah Horisontal, dan aliran fluida inlet dari arah atas rotor.
Penelitian ini dimulai dengan proses benchmarking kondisi batas. Proses ini yaitu proses melakukan duplikasi terhadap suatu penelitian, kemudian melakukan perhitungan perbedaan/perbandingan nilai hasil tersebut. Hasil dari benchmarking ditunjukan oleh grafik Gambar 2. Validasi dilakukan dengan membandingkan  penelitian  eksperimen  yang  digunakan  sebagai benchmarking pada  penelitian makarim  et.al  [10].  Rata-rata  perbedaan  nilai benchmarking sebesar  6%,  dimana  nilai  ini  dapat diterima dikarenakan kurang dari 10%.
Proses  simulasi  dilakukan  pada worbench  Ansys . Meshing pada  domain  menggunakan  metode tetrahedron , dan menggunakan inflation pada dinding rotor dan dinding stationary domain .  Hasil meshing pada rotary domain ditunjukan pada Gambar 3.a dan hasil meshing pada stationary domain ditunjukan pada Gambar 3.b. Skewness rata-rata pada proses meshing diperoleh sebesar 0,3. Nilai tersebut masuk dalam kategori kualitas mesh yang baik. Kualitas mesh yang baik adalah apabila nilai skewness kurang dari 1 [15].

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2021

## Gambar 2. Grafik Benchmarking hubungan Kecepatan Rotasi dengan Coefficient Moment.
Skematik permodelan yang dilakukan ditunjukan oleh Gambar 3.c. Gambar tersebut menunjukan bahwa  skematik  simulasi  terdiri  dari  dua  domain,  yaitu stationary  domain dan rotary  domain. Stationary domain terdiri dari 3 bagian yaitu inlet, wall dan outlet. Kondisi batas inlet yaitu fluida yang digunakan adalah air, dengan massa jenis 1000 kg/m 3 dan kecepatan 3 m/s. Aliran air merupakan aliran subsonic . Pada batas dinding menggunakan kondisi batas wall dengan asumsi no slip condition, dan pada outlet menggunakan kondisi batas opening dengan tekanan 1 atm. Rotary domain terdiri dari interface dan wall  rotor. Interface pada stationary  domain dan rotary  domain merupakan penghubung kedua domain dengan kondisi fluid to fluid. Simulasi dilakukan pada steady state, dan menggunakan  tipe  turbulen Shear  Stress  Transport .    Simulasi  dilakukan  pada  kesepatan  rotasi  50 sampai 350 RPM.
Gambar 3. a) Hasil meshing dari Rotary Domain; b) Hasil meshing dari Stationary Domain c) Skematik Simulasi

## 4.Hasil dan Diksusi
Gambar 4 menunjukan C p yang dihasilkan dari masing-masing desain rotor. Rotor dengan jumlah sudu 8 menunjukan Cp naik hingga pda kecepatan rotasi  < 150 rpm dan menurun pada kecepatan rotasi > 150 rpm. C pmax yang dihasilkan oleh rotor dengan 8 sudu adalah 10,8%.  Pada rotor dengan sudu 12 serupa dengan rotor dengan sudu 8, C p meningkat pada kecepatan rotasi < 150 rpm kemudian menurun  pada  kecepatan  rotasi  >  150  rpm.  C pmax yang  dihasilkan  adalah  14,16%.  Rotor  dengan jumlah  sudu  16  dan  20,  C p meningkat  pada  kecepatan  rotasi  <  200  rpm  kemudian  menurun  pada kecepatan rotasi > 200 rpm. C pmax yang dihasilkan oleh rotor dengan 16 sudu adalah 16,78% dan rotor dengan 20 sudu sebesar 20,4%.

## Gambar 4. Grafik Coefficient of Power dari seluruh variasi jumlah sudu
Pada  masing-masing  kecepatan  rotasi  runner,  setiap  penambahan  jumlah  sudu  mengalami peningkatan.  Dimana semakin besar kecepatan rotasi runner menunjukan  peningkatan (selisih) yang semakin besar pada penambahan sudu. Gap yang cukup besar terdapat pada perubahan jumlah sudu 8  dengan  jumlah  sudu  12,  dan  perubahan  jumlah  sudu  14  dengan  jumlah  sudu  20. Gap terkecil terdapat pada perubahan jumlah sudu 12 dengan jumlah sudu 14.
Gambar 5. vektor kecepatan pada a) Rotor 8 sudu, b) Rotor 12 sudu, c) Rotor 16 sudu dan d) Rotor 20 sudu
Selain menghasilkan nilai C p , simulasi ini menghasilkan output dalam bentuk vektor kecepatan. Vektor  kecepatan  untuk  setiap  jenis  rotor  ditunjukkan  pada  Gambar  5.  Vektor  kecepatan  yang terbentuk memiliki kemiripan untuk seluruh variasi.  Untuk rotor dengan sudu 20 memiliki kerapatan kecepatan paling rapat disekitar rotary domain .
Semakin banyak jumlah rotor menunjukan interval kecepatan rotasi yang lebih luas dan memiliki Coefficient of Power yang lebih besar. Hal ini disebabkan rotor dengan jumlah sudu yang semakin banyak, dapat menangkap kecepatan air dari aliran inlet, Sehingga torsi yang dihasilkan oleh rotor semakin besar.

## 5.Kesimpulan
Hasil  simulasi  yang  telah  dilakukan  menunjukan  bahwa  jumlah  sudu  memberikan  pengaruh  pada performa hidro-turbin cross-flow . Hasil C pmax terbaik diperoleh pada hidro-turbin cross-flow dengan jumlah sudu 20 dengan  nilai  20,4 %. Perbandingan untuk  keempat  rotor  yang telah disimulasikan ditunjukan pada gambar 4. Sehingga hidro-turbin cross-flow dengan rotor  berjumlah sudu 20  dapat digunakan sebagai alternatif desain.

## Referensi
[1] Sekertariat  Jendral  Dewan  Energi  Nasional,  Indonesia  Energy  Outlook,  Jakarta,  Indonesia,
2019.
[2] D,M. Prabowoputra, A. Sartomo, Suyitno, The effect of pressure and temperature on biodiesel production using castor oil. AIP Conference Proceedings, 2217 (2020), p. 030051.
[3] M.I.  Nadhief,  D.M.  Prabowoputra,  D.D.D.P  Tjahjana,  S.  Hadi,  Experimental  study  on  the effect  of  variation  of  blade  arc  angle  to  the  performance  of  savonius  water  turbine  flow  in  pipe. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research 9, 779-783 (2020).
[4] D.M. Prabowoputra, A.R Prabowo, S. Hadi, J.M. Sohn. Performance Assessment of Water
Turbine Subjected to Geometrical Alteration of Savonius Rotor. Proceedings of the 6th International Conference  and  Exhibition  on  Sustainable  Energy  and  Advanced  Materials.  Lecture  Notes  in Mechanical Engineering. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-15-4481-1_35
[5] D.D.D.P Tjahjana, P. Purbaningrum, S. Hadi, Y. Wicaksono, D. Adiputra, The Study of the Influence  of  the  Diameter  Ratio  and  Blade  Number  to  the  Performance  of  the  Cross  Flow  Wind Turbine by Using 2D Computational Fluid Dynamics Modeling, AIP Conference Proceedings 1931, 030034 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5024093
[6] D.M. Prabowoputra, A.R Prabowo, S. Hadi, J.M. Sohn,  Assessment  of turbine stages  and blade  numbers  on  modified  3D  Savonius  hydrokinetic  turbine  performance  using  CFD  analysis. Multidiscipline  Modeling  in  Materials  and  Structures  (2020);  https://doi.org/10.1108/MMMS-12- 2019-0224.
[7] S Hadi, RJ Apdila, AH Purwono, EP Budiana, D.D.D.P Tjahjana,  Performance of the drag type  of  Horizontal  Axis  Water  Turbine  (HAWT)  as  effect  of  depth  to  width  ratio  of  blade.  AIP Conference Proceedings 1788, 030004 (2017)
[8] A.R  Prabowo,  D.M.  Prabowoputra,  Investigation  on  Savonius  turbine  technology  as harvesting  instrument  of  non-fossil  energy:  Technical  development  and  potential  implementation. Theoretical & Applied Mechanics Letters 10 (2020) 262-269