## Pengaruh Jarak Sudu Terhadap
Prestasi Turbin Vortex Berpenampang Lingkaran Dengan Diameter Sudu 46 cm
Lendeber Sinaga 1 , Syahril Gultom 2 , Taufiq bin Nur 3 , Tulus B. Sitorus 4 , Himsar Ambarita 5 , Mahadi 6 lendebersinaga@gmail.com
1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara

## ABSTRAK
Salah  satu  sumber  energi  saat  ini  yang  banyak  dilakukan  penelitian  adalah  arus  air.Dimana  Indonesia adalah Negara agraris yang menghasilkan air secara terus menerus, sehingga turbin air lebih diutamakan dari turbin angin. Biasanya microhydro ataupun picohydro memanfaatkan air terjun dengan head jatuh yang besar, sedangkan aliran sungai dengan head jatuh yang kecil dimanfaatkan dengan optimal [1] . Hal ini  menjadi  referensi  untuk  memanfaatan  aliran  sungai  dengan  mengubahnya  menjadi  aliran  vortex. Tujuan  dari  rancang  bangun  ini  adalah  untuk  mendapatkan  rancangan  casing  turbin  vortex  dengan berpenampang  lingkaran  berbahan  akrilik,  rancangan  poros,  rancangan  sudu  berbahan  seng  dan bantalan.  Turbin  Vortex  ini  dirancang  dengan  debit  air  0.0052  dan  kecepatan  air  1.44  m/s. Menggunakan  casing  berpenampang  lingkaran  berbahan  Akrilik,  dengan  sudu berbahan  seng.Efisiensi maksimum di dapat pada ketinggian saluran 6 cm yaitu 59.92714 %.
Kata Kunci :Energi,vortex,lingkaran,akrilik.

## 1.   PENDAHULUAN
Sadarnya  para  ilmuwan  diseluruh  dunia  akan  berkurangnya  energi  fosil  sehingga  mencoba berbagai  energi  alternatif.  Dimana  arus  air  sebagai  sumber  energi  yang  paling  banyak        diteliti. Indonesia adalah negara agraris yang menghasilkan air secara terus menerus, sehingga turbin air lebih diutamakan dari turbin angin karena angin di indonesia relatif stabil. Alih fungsi turbin angin menjadi turbin air perlu dilakukan studi lebih lanjut. Massa jenis air yang hampir 1000 kali lipat massa jenis udara menyebabkan gaya dan torsi yang mempengaruhi turbin semakin besar.
Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam memanfaatkan sumber energi  terbaru,  namun  pemanfaatan  yang  ada  masih  menggunakan  teknologi  yang  sederhana.  Listrik Tenaga Air ini sering disebut Microhydro atau sering juga disebut Picohydro tergantung keluaran daya listrik yang dihasilkan [2].
Microhydro  ataupun  Picohydro  yang  dibuat  biasanya  memanfaatkan  air  terjun  dengan  head jatuh  yang  besar  Sedangkan  untuk  aliran  sungai  dengan  head  jatuh  yang  kecil  belum  termanfaatkan dengan  optimal.  Hal  ini  menjadi  referensi  untuk  memanfaatkan  aliran  sungai  dengan  mengubahnya menjadi aliran vortex.

## 2.   TINJAUAN PUSTAKA

## Pengertian Turbin Air
Turbin  air  adalah  salah  satu  mesin  penggerak  yang  mana  fluida  kerjanya  adalah  air.  Yang mana  energy  kinetik  diubah  menjadi  energy  mekanik  oleh  sudu  turbin,  selanjutnya  energy  mekanik diubah  menjadi  energy  tenaga  pada  poros.Komponenkompone  utama  rotor  yaitu  sudu- sudu,poros,bantalan sedangkan komponen utama stator yaitu pipa pengarah dan rumah turbin.
Turbin  adalah  mesin  penggerak  dimana  energi  fluida  kerja  dipergunakan  langsung  untuk memutar sudu turbin. Bagian turbin yng bergerak dinamakan rotor atau sudu turbin, sedangkan bagian yang  tidak  berputar  dinamakan  stator  atau  rumah  turbin.  Secara  umum,  turbin  adalah  alat  mekanika yang terdiri dari poros dan sudu-sudu. Sudu tetap ataupun stationary blade, tidak ikut berputar bersama poros,  dan  berfungsi  mengarahkan    aliran  fluida[3].  Sedangkan  sudu  putar    atau  rotary  blade, mengubah  arah  dan  kecepatan  aliran  fluida  sehingga  timbul  gaya  yang  memutar  poros.  Air  biasnya dianggap  sebagai  fluida  yang  tak  kompresibel,  yaitu  fluida  yang  secara  virtual  massa  jenisnya  tidak berubah dengan tekanan[4].
Ada  beberapa  kesamaan  teori dari turbin air  dan  pompa  air,  dengan  perbedaan  utama  energi transfer  yang  berkebalikan.  Turbin  air  mengubah  energi  potensial  dari  air  menjadi  energi  mekanis putaran    poros.  Sedangkan  pompa  air  mengubah  energi  mekanis  putaran  poros  menjadi  gerak  aliran air.

## Turbin Vortex (Pusaran Air)
Turbin  vortex  merupakan  turbin  yang  memanfaatkan  pusaran  air  sebagai  media  perantara energi  terhadap  sumbu  vertikal  sehingga  terjadi  perbedaan  tekanan  antara  bagian  sumbu  dan sekelilingnya.  Turbin  air  ini  dioperasikan  pada  daerah  yang  memiliki  head  yang  rendah  dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu. Hal ini ditemukan oleh insinyur Austria Franz Zotloterer ketikan mencoba untuk menemukan cara untuk menganginkan air tanpa sumber daya eksternal[5].

## Cara Kerja Turbin Vortex
Sistem  PLTA  pusaran  air  adalah  sebuah  teknologi  baru  yang  memanfaatkan  energi  yang terkandung dalam pusaran air yang besar dengan diciptakan melalui perbedaan head rendah di sungai. Cara kerja turbin Vortex :
1. Air Sungai dari tepi sungai disalurkan dan dibawake tangki sirkulasi. Tangki sirkulasi ini memiliki suatu lubang lingkaran pada dasarnya.
2. Tekanan  rendah  pada  lubang  dasar  tangki  dan  kecepatan  air  pada  titik  masuk  tangki  sirkulasi mempengaruhi kekuatan aliran vortex.
3. Energi  potensial  seluruhnya  diubah  menjadi  energy  kinetic    rotasi  diinti  vortex  yang  selanjutnya diekstraksi melalui turbin sumbu vertikal.
4. Air kemudian kembali kesungai melalui saluran keluar.

## Aliran Vortex
Vortex  adalah  massa  fluida  yang  partikel-partikelnya  bergerak  berputar  dengan  garis  arus (streamline)  membentuk  lingkaran  konsentris.  Gerakan  vortex  berputar  disebabkan  oleh  adanya perbedaan kecepatan antara lapisan fluida yang berdekatan.Dapat diartikan juga sebagai gerak alamiah fluida  yang  diakibatkan  oleh  parameter  kecepatan  dan  tekanan.Vortex  sebagai  pusaran  yang merupakan efek dari putaran rotasional dimana viskositas berpengaruh didalamnya[6].

## Aliran Vortex Bebas
Aliran    vortex  terjadi  walaupun  tidak  adanya  gaya  yang  dilakukan  pada  fluida  tersebut. Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari partikel fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusatvortex. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaan ini:

## 𝑉 = 𝜏 2𝜋𝑟
Dimana:
V = kecepatan tangensial fluida (m s-1) r  = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m) τ = sirkulasi

## Aliran Vortex Paksa
Apabila  suatu  gaya  diberikan  pada  suatu  fluida  dengan  maksud  membuat  aliran  fluida berputar.  Hubungan  kecepatan  partikel  fluida  v  terhadap  jaraknya  dari  pusat  putaran  r  dapat  dilihat pada persamaanberikut:
𝑉 = 𝑟. 𝜔 <

## Aliran Vortex Kombinasi
Aliran Vortex Kombinasi adalah vortex dengan vortex paksa pada inti pusatnya dan distribusi kecepatan  yang  sesuai  dengan  vortex  bebas  pada  luar  intinya.  Jadi  untuk  sebuah  votex  kombinasi dapat dilihat pada persamaan berikut:
V θ = ωr r ≤ r 0 V θ = 𝐾 𝑟 r < r 0 Dimana : K dan ω = konstanta ro = jari-jari inti pusat
Sebuah  konsep  matematika  yang  biasanya  berhubungan  dengan  gerakan  vortex  adalah sirkulasi.  Sirkulasi  didefenisikan  sebagai  sebuah  integral  garis  dari  komponen  tangensial  kecepatan yang diambil dari sekeliling kurva tertutup di medan aliran. Konsep sirkulasi sering digunakan untuk mengevaluasi gaya-gaya pada terbentuk pada benda-benda yang terendam dalam fluida yang bergerak.

## 3.   METODE PENELITIAN

## Rancang Bangun Instalasi
Rancang bangun instalasi uji eksperimental Turbin Vortex terdapat pada rooftop lantai empat Teknik Mesin USU.
Adapun elemen yang meliputi perancangan turbin vortex adalah :

## Rumah Turbin (casing)
Rumah turbin berbentuk Spiral yang terbuat dari Akrilik dengan diameter 0,9 m dan tingginya 1  m  (diukur  dari    saluran  keluaran  tempat  penampungan  bawah  ke  permukaan  bak)  dan  memiliki lubang saluran buang pada dasar bak.
Gambar 1. Rumah Turbin (casing)

## Poros Turbin
Poros  yang  digunakan  terbuat  dari  bahan  besi  S45  C-D.  Dengan  diameter  1,9  cm  dan  tinggi poros 1,50 m.

## Sudu Turbin
Sudu  turbin  ada  8  buah  dengan  tinggi  sudu    cm  0,9  m  dan  3  variasi  lebar  sudu.  Ukuran  – ukuran utama sudu roda jalan yang akan dihitung terdiri dari beberapa bagian yaitu:
• Diameter Sudu Roda Jalan Pada Sisi Masuk
Diameter  sudu  roda  jalan  sisi  masuk  (D1)  dan  diameter  roda  jalan  sisi  keluar  (D2)  direncanakan adalah :
D1 = 0,46 m
D2 = 0,12 m ϕ   = 30o
• Jarak Antara Sudu
Jarak antara sudu dapat ditentukan dengan persamaan :
L = π .D 1 z Dimana :  D1 = Diameter sudu pada sisi masuk z   = Jumlah sudu (direncanakan 8) maka :
L = 3,14 .0,32 8 = 0,12 m
• Tebal Sudu Roda Jalan
Sudu roda jalan dalam perancangan ditentukan dengan  menggunaka bahan seng dengan ketebalan 0.20 mm.
• Tinggi Roda Jalan
Tinggi roda jalan dapat ditentukan dengan  dengan persamaan : Hrj   = tinggi turbin – tinggi penampang = 1 m – 0,10 m  = 0,90 m

## Pelaksanaan Pengujian
Uji eksperimental turbin vortex dengan menggunakan jumlah sudu sebanyak 8 sudu dilakukan di  rooftop  lantai  empat,  Departemen  Teknik  Mesin,  Fakultas  Teknik  Universitas  Sumatera  Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi:
1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin vortex dengan menggunakan Hand Tachometer.
2. Pengukuran momen puntir (kilogram) dengan menggunakan Timbangan Pegas.
Sebelum dilakukan pengujian turbin vortex dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi:
1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah.
2. Pemeriksaan pipa penghubung antara pompa pengumpan dan talang.
3. Pemeriksaan poros turbin vortex serta pemberian pelumas pada bearing.
4. Pemeriksaan tali dan pulley.
5. Pemeriksaan pompa pengumpan.
Setelah  prosedur  pemeriksaan  terhadap  beberapa  instalasi  dan  peralatan  di  atas  selesai dilakukan  dan  pemeriksaan  dipastikan  dalam  kondisi  standby,  maka  prosedur  pengujian  pun  dapat dimulai.  Adapun  prosedur  pengujian  uji  eksperimental  turbin  vortex  dengan  jumlah  sudu  8  adalah sebagai berikut:
1. Pengujian  pertama  dilakukan  pada  rumah  turbin  (casing)  berpenampang  lingkaran  dengan jumlah  8 sudu.
2. Hidupkan pompa pengumpan.
3. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam rumah sudu (casing).
4. Setelah  ketinggian  air  di  rumah  sudu  (casing)  konstan,  maka  dilakukan  pengujian  serta pengambilan data terhadap:
a. Pengukuran  putaran  (rpm)  pada  poros  Turbin  Vortex  dengan  menggunakan  Hand Tachometer.
b. Pengukuran momen puntir (kilogram) dengan menggunakan Timbangan Pegas.
5. Pengukuran  terhadap  beberapa  variabel  di  atas  dilakukan  terhadap  ketinggian  antara  sudu dengan lubang buang dengan jarak 2cm,4cm, dan 6cm dengan variasi lubang buang 6cm.
6. Setiap  pengambilan  data  dilakukan  sebanyak  sepuluh  kali  untuk  mendapatkan  data  pengujian yang lebih akurat.
7. Setelah pengukuran pada turbin vortex selesai, maka dilakukan penggantian lubang buang dan rumah sudu (casing) berpenampang Lingkaran. Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur diatas.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:
1. Putaran poros Turbin Vortex (rpm)
2. Momen Puntir Turbin Vortex (kilogram)
Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti:
1. Torsi Turbin Vortex
2. Daya Turbin Vortex
3. Efisiensi Turbin Vortex

## 4.   HASIL PENGUJIAN
Setelah  dilakukan  perancangan  instalasi  turbin vortex dan  pengujian  maka  diperoleh  hasil pengujian sebagai berikut :

## Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu Dengan Saluran Keluar Ketinggian 2 cm
Gambar 2 Grafik Torsi vs Efisiensi pada jarak sudu dengan saluran keluar ketinggian 2cm.
Dari  gambar  4.1  Torsi  vs  Efisiensi  didapat  hubungan  antara  Torsi  dengan  Efisiensi,  dimana torsi  yang  digunakan  mulai  dari  0  sampai  1.8  Nm  (turbin  berhenti).  Dari  grafik  di  atas  didapat  data bahwa efisiensi maksimum turbin vortex pada ketinggian 2cm jarak antara sudu dengan lubang buang adalah sebesar 44.40938 %.

## Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu Dengan Lubang Buang Ketinggian 4 cm
Gambar 3 Grafik Torsi vs Efisiensi pada jarak antara sududengan saluran keluar ketinggian 4 cm.
Dari  gambar  4.2  Torsi  vs  Efisiensi  di  dapat  hubungan  antara  torsi  dengan  efisiensi,  dimana torsi  yang  digunakan  mulai  dari  0  sampai  1.8  Nm  (turbin  berhenti).  Dari  grafik  di  atas  didapat  data bahwa efisiensi maksimum turbin vortex pada jarak antara sudu dengan lubang outlet ketinggian 4 cm adalah sebesar  42.586335 %.
R² = 0,9997 0 10 20 30 40 50 0 0,5 1 1,5 2 R² = 0,9964 0 10 20 30 40 50 0 0,5 1 1,5 2

## Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu Dengan Lubang Buang Ketinggian 6 cm
Gambar 4 Grafik Torsi vs Efisiensi pada jarak antara sudu dengan lubang outlet ketinggian 6 cm.
Dari  gambar  4.3  Torsi  vs  Efisiensi  di  dapat  hubungan  antara  torsi  dengan  efisiensi,  dimana torsi yang digunakan mulai dari 0 sampai  1.71 Nm (turbin berhenti). Dari grafik di atas didapat data bahwa efisiensi maksimum turbin vortex pada jarak antara sudu dengan lubang outlet ketinggian 6 cm adalah sebesar 59.92714 %.

## 5.   KESIMPULAN
Dari  uji  eksperimental  pembangkit  listrik  mikro  hidro  menggunakan  turbin  vortex  dengan casing berpenampang Lingkaran yang menggunakan sudu berdiameter 32 cm, Tinggi  90 cm, 3 variasi jarak  antara  Sudu  dan  Saluran  Keluar  dengan  Saluran  Keluar  berdiameter  7,5  cm.  Maka  di  dapat kesimpulan:
1. Diperoleh  tingkat  efisiensi  maksimum  yang  terdapat  pada  jarak  antara  Sudu  dan  Saluran  keluar Ketinggian 2 cm dengan data sebagai berikut:
a.  Efisiensi Maximum=  60,204243 %
b.  Daya Turbin =  7,777152 watt
c.  Putaran Turbin  =  7,2010667 rad/s
2. Diperoleh  tingkat  efisiensi  maksimum  terdapat  pada  jarak  antara  Sudu  dan  Saluran  keluar Ketinggian 4 cm dengan data sebagai berikut:
a.  Efisiensi Maximum=  58,08951 %
b.  Daya Turbin=  7,503972 watt
c.  Putaran Turbin  =  5,9555533 rad/s
3.  Diperoleh  tingkat  efisiensi  maksimum  terdapat  pada  jarak  antara  Sudu  dan  Saluran  keluar Ketinggian 6 cm dengan data sebagai berikut:
a.  Efisiensi Maximum=  67,78111 %
b.  Daya Turbin=  8,756832 watt
c.  Putaran Turbin  =  6.9498666 rad/s

## SARAN
1.  Untuk perancangan pembangkit listrik mikro hidro berikutnya diharapkan melakukan perbandingan jumlah  sudu.  Misalnya  dengan  membandingkan  data  yang  di  hasilkan  dengan  mengunakan 10 sampai 12 sudu.
2.  Untuk  perancangan  pembangkit  listrik  mikro  hidro  berikutnya  diharapkan  melakukan  penelitian dengan menggunakancasing dengan tinggi 0,4 meter sampai 0,5 meter.
3.  Untuk  perancangan  pembangkit  listrik  mikro  hidro  berikutnya  diharapkan  menggunakan  peralatan pengujian yang lebih presisi.
R² = 0,9961 -20 0 20 40 60 80 0 0,5 1 1,5 2

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Warnik,C.C,“HydroPower Engineering”, Prentice Hall, Inc, New York,1989.
[2] M.M Dandekar dan K.N. Sharman, “Pembangkit Listrik Tenaga Air”. UI-Press, Jakarta,1991.
[3] KonzKl.EmmeRossei_110131[1].doc / WWK Energie GmbH.
[4] Rajput  Rames,  “A  Textbook  of  Fluida  Mechanics  and  Hydraulic  Machine”,  Part-II,  Rajput. Company, 2000.
[5] http://www.zotloeterer.com/
[6] Victor.L.Streeter and Benjamin, “Mekanika Fluida”, Erlangga, Jakarta, 1993.