Volume 14  No.1 Januari 2022 ISSN : 2085 – 1669 e-ISSN : 2460 – 0288 Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/jurtek Email :  jurnalteknologi@umj.ac.id

## U  N  I  V  E  R  S  I  T  A  S   M  U  H  A  M  M  A  D  I  Y  A  H   J  A  K  A  R  T  A

## INVESTIGASI EFEK SOLIDITAS TERHADAP KONTUR TEKANAN SUCTION AREA PADA TURBIN AIR PROPELLER ALIRAN

## HORISONTAL MENGGUNAKAN COMPUTIONAL FLUID DYNAMIC
Fajar Pundra 1,* , Akhmad Nurdin 2 , Febri Budi Darsono 3
1 Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sumatera (ITERA), Jl. Terusan Ryacudu, Desa Way Hui, Kecamatan Jati Agung, Lampung Selatan, 35365
2 Program Studi Teknologi Pengecoran Logam, Politeknik Manufaktur Ceper (POLMAN CEPER), Batur, Tegalrejo, Kec. Ceper, Kabupaten Klaten, Jawa Tengah, 57465
3 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Negeri Semarang (UNNES), Sekaran, Kec. Gunung Pati, Kota Semarang, Jawa Tengah, 50229
*E-mail: fajar.paundra@ms.itera.ac.id Diterima: 24 April 2021 Direvisi: 25 Juli 2021 Disetujui: 27 Desember 2021

## ABSTRAK
Parameter internal dari  turbin  aksial  propeller  mempengaruhi  kinerja  turbin  itu  sendiri.  Pengaruh  tentang parameter internal akan  memberi  informasi  karakteristik  pada  suatu  perancangan  turbin  dan  menghasilkan kinerja  yang  optimal.  Soliditas  atau  perbandingan  celah  turbin  terhadap  panjang chord sudu  merupakan  salah satu parameter internal yang mempengaruhi kinerja tubin propeller dan secara visual memiliki kesamaan dengan parameter  jumlah  sudu..  Obyek  studi  ini  mengamati  bagaimana  pengaruh  soliditas  turbin  propeller  terhadap kontour tekanan air pada sisi suction atau tekanan air sebelum menumbuk sudu. Metode studi ini menggunakan Computional Fluid Dinamic ( CFD ) dengan perangkat lunak SolidWorks 2016 Flow Simulation . Variabel jumlah sudu yang digunakan pada studi ini 3 sampai 7 sudu, dengan masing-masing kemiringan sudu 20 0 . Hasil studi ini menyajikan plot atau gambaran dengan kontur warna berbeda setiap parameter yang menunjukkan nilai tekanan air  pada  sisi suction maupun discharge ,  serta  kontour  tekanan  pada  permukaan  turbin.  Studi  ini  menunjukkan semakin  naik  nilai  soliditas  atau  semakin  banyak  jumlah  sudu,  maka  tekanan  air  pada  sisi suction  area akan semakin naik.
Kata kunci: soliditas, suction area, propeller, pico hydro

## ABSTRACT
Internal parameters of the propeller axial turbine affect the performance of the turbine itself.  The influence of the internal parameters will provide information on the characteristics of a turbine design and produce optimal performance. Solidity or the ratio of the gaps between turbine blades to the length of the blade chord is one of the internal parameters that affect the performance of the propeller turbine, and visually has similarities to the number  of  blades  parameter.  The  object  of  this  study  is  to  observe  how  the  solidity  of  the  propeller  turbine affects the water pressure contour on the suction side or pressure water before pounding the blade. This study method  uses  Computational  Fluid  Dynamic  (CFD)  with  SolidWorks  2016  Flow  Simulation  software.  The variable  number  of  blades  used  in  this  study  is  3  to  7  blades,  with  200  blades  each.  The  results  of  this  study present  a  plot  or  a  figure  with  different  color  contours  for  each  parameter  that  shows  the  value  of  water pressure on the suction and discharge sides, as well as the pressure contour on the surface turbine. This study shows that the higher the solidity value or the more the number of blades, the water pressure in the suction area will increase.
Keywords : solidition , suction area, propeller, pico hydro

## PENDAHULUAN
Penggunaan energi alternatif sebagai pengganti energi  fosil  (Diniari et  al. ,  2018)  saat  ini semakin  berkembang,  seiring  meningkatnya konsumsi  energi  (Nurdin et  al. ,  2020).  Salah satu energi alternatif yang banyak diaplikasikan  adalah  pembangkit  listrik  tenaga air  yang  bekerja  berdasarkan  parameter  beda ketinggian  ( head )  dan flow  rate air  (Nurdin and  Himawanto,  2018).  Berdasarkan  kapasitas daya  yang  dihasilkan,  pembangkit  listrik tenaga  air  skala  terkecil  disebut pico  hydro dengan  daya  maksimal  yang  dihasilkan  5  Kw (Nurdin et al. , 2020a) (Nurdin and Himawanto, 2019).  Pada  aplikasinya, pico  hydro dapat dirancang dengan memanfaatkan water system aliran  horisontal  (Nurdin et  al .,  2020b), misalnya sistem perpipaan dan sistem pemompaan (Nurdin et al , 2020d).
Turbin propeller merupakan jenis turbin aksial yang  sering  digunakan  sebagai  alat  konversi energi  air  menjadi  energi  mekanik  pada  water system aliran horisontal (Nurdin et al ., 2020b). Dalam  aliran  tertutup,  turbin propeller memiliki kelebihan dibandingkan turbin aksial lainnya,  diantaranya  praktis,  nilai  efisiensi relatif  tinggi,  dan  proses  produksi  yang  relatif kecil  (Nurdin et  al .,  2020d).  Pengaruh parameter-paremeter internal dari turbin aksial propeller akan  mempengaruhi  kinerja  turbin itu  sendiri  (Singh  and  Nestmann,  2010), sehingga pengaruh parameter tersebut memberikan informasi karakteristik pada suatu perancangan  turbin  dan  menghasilkan  kinerja yang  optimal  (Balaka et  al .,  2014).  Salah  satu parameter internal dalam  merancang  turbin propeller adalah  soliditas,  yaitu  perbandingan luasan  celah  turbin  terhadap  panajang chord sudu  (Brijkishore et  al .,2020).  Soliditas  pada turbin  aksial propeller atau  kaplan,  secara visual  memiliki  kesamaan  dengan  dengan parameter  jumlah  sudu  (Brijkishore  et  al., 2020) (Khare and Prasad, 2015) (Kharea et al., 2012).
Computional Fluid Dinamic ( CFD ) merupakan metode  analisa  numerik  yang  meliputi  aliran air,  perpindahan  panas,  dan  analisa  tentang reaksi  kimia  menggunakan  simulasi  numerik berbasis komputasi (Versteeg and W
Malalasekera, 2007). Metode CFD diaplikasikan pada bidang advance
engineering yang berperan dalam segi
mengemat  biaya,  serta  menghemat  waktu untuk  riset  dan improvement (Dewangga  and Yamin,  2021) . Analisa  menggunakan  metode simulasi  numerik  menunjukkan  gambaran fenomena secara detail dan akurat (Nurdin and Himawanto,  2019),  sehingga  secara  langsung dapat mendukung analisa pada studi eksperimental (Nurdin et al., 2020a).
Obyek  studi  ini  mengamati  bagaimana pengaruh  soliditas  turbin propeller terhadap kontour  tekanan  air  pada  sisi suction atau tekanan air sebelum menumbuk sudu. Studi ini menyajikan  plot atau  gambaran dengan kontur warna berbeda setiap parameter yang menunjukkan nilai tekanan air pada sisi suction maupun discharge , serta kontour tekanan pada permukaan turbin dengan metode Computional Fluid Dinamic ( CFD ) menggunakan perangkat lunak SolidWorks 2016 Flow Simulation

## METODE PENELITIAN
Desain  turbin  dan  desain  sistem  perpipaan yang  digunakan  pada  studi  ini  mengacu  studi pada  referensi  (Nurdin  et  al.,2020c)  dengan rasio bulb  statis terhadap  diameter  pipa  0,6.
Sedangkan  desain  kelengkungan  sudu  turbin propeller  mengacu  pada  referensi  dengan diameter  hub  42,25  mm  (Ramos  et  al.,  2013), dan  tip  84,8  mm  (Samora et  al. ,  2016). Berdasarkan referensi (Brijkishore et al., 2020) (Khare and Prasad, 2015) (Kharea et al., 2012) parameter  soliditas  dapat  disamakan  dengan parameter  jumlah  sudu.  Variabel  jumlah  sudu turbin  pada  studi  ini  3  sampai  7  sudu,  dengan masing-masing  kemiringan  sudu  20 0 .  Gambar desain turbin ditunjukkan Gambar 1, sedangkan desain sistem perpipaan atau rig test simulasi ditunjukkan Gambar 2.
Metode  studi  ini  menggunakan Computional Fluid Dinamic ( CFD ) dengan perangkat lunak SolidWorks  2016  Flow  Simulation .  Kondisi batas  studi  ini  ditunjukkan  Gambar  3,  dengan inlet flow 0,0208 m 3 /s atau 20,8 L/s dan bagian outlet  flow menggunakan  tekanan atmosfer atau  tekanan  lingkungan  101326  Pa.  Untuk mendapatkan  hasil  simulasi  yang valid dilakukan  pengaturan level meshing ,  simulasi pada  studi  ini  menggunakan level  meshing 5 yang merujuk studi pada referensi Nurdin et al ., (2020c) dengan desain rig test yang mirip.
Jurnal Teknologi 14 (1) pp 139-146 © 2022
Fenomena  yang  diamati  dalam  studi  ini  yaitu perbedaan  kontour  tekanan  pada cut  plot suction yang  dilihat  pada  posisi rig  test
melintang dan perbedaan kontour tekanan pada surface  plot turbin propeller ,  pada  masing- masing setiap parameter jumlah sudu.
Gambar 1. Desain turbin propeller
Gambar 2. Desain test rig
Gambar 3. Kondisi batas simulasi
BULB BODY TURBIN PROPELLER
Gambar 4. Hasil meshing pada permukaan turbin nang rig test simulasi

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  4  menunjukkan  kontur  tekanan  pada suction  area setiap  parameter  jumlah  sudu. Pada jumlah sudu 3 (Gambar 4a) menunjukkan kontur  tekanan  terendah  dan  semakin  naik seiring  bertambahnya  jumlah  sudu  sampai jumlah sudu 7 (Gambar 4e). Jumlah sudu atau tingkat  soliditas  pada  turbin propeller akan mempengaruhi  celah  antar  sudu,  hal  ini ditunjukkan  pada  Gambar 5  pada jumlah  sudu 3  (Gambar  5a)  celah  antar  sudu  relatif  cukup lebar, dan semakin menyempit seiring bertambah  jumlah  sudu.  Pada  jumlah  sudu  6 (Gambar  6d)  dan  jumlah  sudu  7  (Gambar  6e) ditinjau  dari  sisi  atas  tidak  terlihat  celah  antar sudu.
Celah  antar  sudu  pada  turbin propeller akan mempengaruhi  aliran  air  pada suction  area . Kontur pada jumlah sudu 3 dan 4 menunjukan nilai  tekanan  yang  rendah,  hal  ini  disebabkan aliran  air  yang  melewati  turbin  tidak terhambat, sedangkan pada jumlah sudu 5 dan 6  mengalami  kenaikan  tekanan,  hal  ini menunjukkan  aliran  air  mulai  mengalami blocking effect yang disebabkan menyempitnya celah  antar  sudu,  dan  jumlah  sudu  7
menunjukkan  kontur  tekanan  naik  secara drastis dengan celah antar sudu semakin kecil. Tingkat blocking dapat ditinjau pada permukaan turbin yang ditunjukkan Gambar 6, pada  jumlah  sudu  6  (Gambar  6d)  dan  7 (Gambar  6e)  menunjunkan  tingkat bloking effect yang tinggi dengan kontur tekanan yang lebih tinggi dari jumlah sudu 3 (Gambar 6a), 4 (Gambar 6b), dan 5 (Gambar 6c).
Penelitian Khare et al., (2015) dan Brijkishore et  al.,  (2020)  menyatakan  turbin  kaplan  pada kondisi  yang  sama  dengan  jumlah  sudu  yang semakin banyak maka nilai soliditas (perbandingan  panjang chord turbin  dengan pitch antar  sudu)  dari  turbin  tersebut  semakin naik, dengan nilai soliditas yang semakin naik luasan  air  yang  melewati  antar  sudu  semakin kecil.  Brijkishore  et  al.,  (2020)  menyatakan semakin  besar  nilai  soliditas  kecepatan  air yang  melewati  celah  antar  sudu  semakin  naik secara signifikan dan menimbulkan pusaran air lebih  besar  pada  sisi discharge .  Pusaran  air semakin  besar  akan  memberikan  hambatan terhadap laju air aliran sebelum melewati celah antar  sudu  atau  disebut  dengan  fenomena blocking effect .
Jurnal Teknologi 14 (1) pp 139-146 © 2022
a b c d e
Gambar 5. Kontur Tekanan Suction Area pada (a) 3 Sudu, (b) 4 Sudu, (c) 5 Sudu, (d)  6 Sudu, dan (e)7 sudu
Gambar 6. Kontur Tekanan permukaan turbin pada (a) 3 Sudu, (b) 4 Sudu, (c) 5 Sudu,
(d)  6 Sudu, dan (e) 7 sudu

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  simulasi Computional  Fluid Dinamic ( CFD ),  tingkat  soliditas  atau  jumlah sudu  dari  turbin propeller mempengaruhi tekanan aliran air pada sisi suction area . Nilai soliditas atau jumlah sudu semakin meningkat, maka  tekanan  aliran  air  semakin  meningkat. Semakin  naik  tingkat  soliditas,  celah  antar sudu  turbin  semakin  menyempit,  hal  ini menyebabkan  kecepatan  aliran  air  saat melewati  celah  tersebut  semakin  naik  dan menimbulkan  pusaran  air  semakin  besar  pada sisi discharge .  .  Pusaran  air  semakin  besar akan  memberikan  hambatan  terhadap  laju  air aliran  sebelum  melewati  celah  antar  sudu  atau disebut dengan fenomena blocking effect .

## DAFTAR PUSTAKA
Balaka,  R.,  Rachman,  A.  &  Delly,  J.  (2014) ‘Blade  Number  Effect for A  Horizontal
Axis  River  Current  Turbine  at  A  Low Velocity Condition Utilizing A Parametric  Study  with  Mathematical Model  of  Blade  Element  Momentum’, Journal  of  Clean  Energy  Technologies , 2(1), pp. 1–5. doi: 10.7763/JOCET.2014.V2.79.
Brijkishore,  Khare,  R.  &  Prasad,  V.  (2020) ‘Performance  Evaluation  of  Kaplan Turbine  with  Different  Runner  Solidity Using  CFD’, Advances  in  Intelligent Systems and Computing . Edited by R. V.
Rao  and  J.  Taler.  Springer  Nature Singapore  Pte  Ltd,  949,  pp.  757–767.
doi:  https://doi.org/10.1007/978-981-13-
8196-6_67.
Diniardi, E., Syawaluddin, Ilmar, A., Ramadhan, Fithriyah, N. H. & Dermawan,  E.  (2018)  'Analisis  daya piezoelektrik  model hybrid  solar  cell - piezoelectric skala rendah. Jurnal Teknologi Volume 10 No. 2 https://dx.doi.org/10.24853/jurtek.10.2.1
39-146
Khare,  R.  &  Prasad,  V.  (2015)  ‘Effect  of Solidity  on  Flow  Pattern  in  Kaplan Turbine Runner’, 6(2), pp. 602–606.
Kharea,  R.,  Prasadb,  V.  &  Kumar,  S.  (2012) ‘Procedia Environmental Sciences Effect of Runner Solidity on Performance  of  Elbow  Draft Tube’,  14, pp. 2054–2059. doi:
10.1016/j.egypro.2011.12.1207.
Nurdin,  A.  &  Hastuti,  S.  (2020)  ‘Optimalisasi daya  output  generator  pada  pico- hydropower menggunakan transmisi roda gigi 1’, 4(2), pp. 7–14.
Nurdin,  A.  and  Himawanto,  D.  A.  (2018) ‘Kajian  Teoritis  Uji  Kerja  Turbin Archimedes  Screw  pada  Head  Rendah’, Simetris , 9(2), pp. 783–796.
Nurdin, A. & Himawanto, D. A. (2019) ‘Studi numerik  kekuatan  material  transmisi roda  gigi  pico  hydro’, JTMI ,  14(1),  pp. 24–29.
Nurdin,  A.,  Himawanto,  D.  A.  &  Hadi,  S. (2020a)  ‘Experimental  study  of  the effect  of  blade  angle  on  pico  tubular bulb  turbine  performance  in  horizontal flow Experimental Study of the Effect of Blade  Angle  on  Pico  Tubular  Bulb Turbine  Performance  in  Horizontal Flow’, 030122(April).
Nurdin,  A.,  Himawanto,  D.  A.  &  Hadi,  S.
(2020b)  ‘Optimasi  perancangan  turbin air  menggunakan  analysis  of  variance aliran horisontal’, 10(2), pp. 103–109.
Nurdin,  A.,  Himawanto,  D.  A.  &  Hadi,  S. (2020c)  ‘Study  of  the  Effect  of  Bulb Ratio  and  Blade  Angle  on  Propeller Turbine Performance in Horizontal Flow using  Numerical  Simulation’, Teknik , 41(1), pp. 1–5. doi: 10.14710/teknik.v41n1.25328.
Nurdin,  A.,  Himawanto,  D.  A.  &  Hadi,  S.
(2020d)  ‘The  Utilization  Of  Horizontal Pipeline For A Static Bulb Turbine And The  Determination  Of  Optimum  Blade Number’, 19(2), pp. 61–68.
Muhamad  Dewangga  &  Mohamad  Yamin (2021) ‘Rancang Ulang Desain Impeller Kipas  Sentrifugal  Sistem  Pendingin Mesin  Sepeda  Motor  Skutik  dengan Metode Reverse  Engineering’ ,  Jurnal Teknologi  Universitas  Muhammadiyah Jakarta, https://dx.doi.org/10.24853/jurtek.13.1.6
3-74.
Ramos, H. M., Simão, M. & Borga, A. (2013) ‘Experiments  and  CFD  Analyses  for  a New  Reaction  Microhydro  Propeller with  Five  Blades’, Journal  of  Energy Engineering ,  139(2),  pp.  109–117.  doi: 10.1061/(ASCE)EY.1943-
7897.0000096.
Samora,  I. Hasmatuchi,  V.  Münch-Alligné,  C.
Franca,  M.  J.  Schleiss  A.  J.,  &  Ramos H.
Jurnal Teknologi 14 (1) pp 139-146 © 2022
M. (2016).
‘Experimental
characterization  of  a  five  blade  tubular propeller turbine for pipe inline installation’, Renewable  Energy ,  95,  pp.
356–366.
doi: 10.1016/j.renene.2016.04.023. Singh,  P.  &  Nestmann,  F.  (2010)  ‘Exit  blade geometry  and  part-load  performance  of small  axial  flow  propeller  turbines :  An experimental investigation’,
Experimental Thermal and Fluid Science .  Elsevier  Inc.,  34(6),  pp.  798– 811. doi:
10.1016/j.expthermflusci.2010.01.009.
Versteeg,  H.  K.  &W  Malalasekera  (2007) An Introduction  to  Computational  Fluid Dynamics .  2nd  edn.  Glasgow:  Pearson Education Limited Edinburgh. Available at: www.pearsoned.co.uk.