Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
ISSN  0216-7492
PENGARUH BUKAAN SUDU PENGARAH TERHADAP TINGKAT KAVITASI DI SISI MASUK PIPA ISAP TURBIN FRANCIS VERTIKAL
Fernando P. Gurning 1 , A.Halim Nasution 2 , Syahril Gultom 3 , Zulkifli Lubis 4 , Farida Ariani 5 1.2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : fernando_gurning@ymail.com

## ABSTRAK
Kavitasi  yaitu  proses  terbentuknya  gelembung-gelembung  air  pada  turbin  karena  tekanan  air pada  turbin  turun  menjadi  tekanan  uap  jenuh  yang  menyebabkan  getaran,  pengikisan,  dan penurunan  efisiensi.  Fenomena  kavitasi  tersebut  dapat  diprediksi  dan  dihindari  dengan menghitung  besar  tingkat  kavitasi  turbin  yang  berasal  dari  hasil  perbandingan  nilai  angka Thoma aktual dan  kritis. Tingkat kavitasi yang diteliti yaitu pada Sisi Masuk Pipa Isap ( Draft Tube )  di  Turbin  Francis  Vertikal  Unit  3  PLTA  Siguragura  P.T.  Inalum  (Persero).  Tingkat kavitasi sebagai variabel terikat diteliti pengaruhnya dengan bukaan sudu pengarah ( Guide Vane Opening/GVO )  sebagai  variabel  bebas  pada  penelitian  ini.  Besar  GVO  yang  dipakai  dalam penelitian  ini  ada  sembilan  variasi  yaitu  sebesar  19,5  mm;  78  mm;  102  mm;  129,5  mm;  136 mm;  143  mm;  150  mm;  160,5  mm;  dan  195  mm.  Berdasarkan  penelitian  ini  diperoleh  nilai tingkat  kavitasi  pada  setiap  GVO.  Tingkat  kavitasi  diperoleh  melalui  2  metode  yaitu  metode perhitungan  dan  simulasi.  Berdasarkan  metode  perhitungan  diperoleh  tingkat  kavitasi  terbesar pada  penelitian  ini  yaitu  sebesar  0,9743  pada  GVO  sebesar  195  mm,  tingkat  kavitasi  terkecil yaitu  sebesar  0,8099  pada  GVO  sebesar  102  mm;  sedangkan  pada  metode  simulasi  diperoleh tingkat  kavitasi  terbesar  yaitu  sebesar  0,9734  pada  GVO  195  mm  dan  tingkat  kavitasi terkecilnya yaitu sebesar 0,8090 pada GVO 102 mm. Sisi masuk pipa isap tersebut mengalami kavitasi apabila tingkat kavitasinya melebihi nilai 1 atau nilai angka Thoma aktual lebih besar dari  nilai  angka Thoma kritis.  Kavitasi  tidak  terjadi  pada  sisi  masuk  pipa  isap  apabila  tingkat kavitasinya kurang dari nilai 1 atau nilai angka Thoma aktual lebih kecil dari nilai angka Thoma kritis. Jadi, besar GVO yang terbaik untuk menghindari kavitasi di Sisi MasukPipa Isap Turbin Francis  Vertikal  Unit  3  PLTA  Siguragura,  yaitu  sebesar  102  mm  karena  memiliki  tingkat kavitasi terkecil; sedangkan  besar GVO yang dihindari dan paling rentan terkena kavitasi yaitu sebesar 195 mm karena memiliki tingkat kavitasi terbesar.
Kata kunci: Sudu Pengarah, Kavitasi, Pipa Isap, Angka Thoma, Turbin Francis

## 1. PENDAHULUAN
Energi  air  adalah  energi  yang  diperoleh  dari  air  yang  mengalir  dan    dapat dimanfaatkan secara maksimal dengan menggunakan turbin air. Turbin air adalah mesin penggerak mula yang mengubah energi potensial dan kinetik yang berasal dari aliran air menjadi energi mekanik yang menggerakan generator untuk menghasilkan listrik.
Adapun  turbin  dibagi  menjadi  dua  berdasarkan  aksi  air  pada  sudu  turbin  yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Turbin impuls contohnya yaitu turbin Pelton dan turbin Cross  Flow, sedangkan  turbin  reaksi  contohnya  turbin  Francis,  Turbin  Kaplan  dan propeller .  Pada  tugas  akhir  ini  akan  dibahas  mengenai  turbin  Francis,  khususnya mengenai permasalahan kavitasi yang sering terjadi pada saat beroperasi. Kavitasi yaitu gelembung-gelembung  air  yang  terbentuk  akibat  penurunan  tekanan  fluida  di  turbin yang  menyebakan  pengikisan,  suara,  dan  getaran,  serta    menurunkan  efisiensi  turbin. Fenomena  kavitasi  tersebut  dapat  diprediksi  dan  dihindari  dengan  menghitung  angka Thoma (σ)  aktual  dan  kritis  agar  tidak  melewati  nilai  aktualnya  tidak  melewati kritisnya.
2. TINJAUAN PUSTAKA
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
ISSN  0216-7492

## Kerugian Head Mayor (Persamaan Hazen–Williams)
Persamaan  ini  dikenalkan  oleh Gardner  Williams dan Allan  Hazen pada  tahun 1902.  Persamaan  ini  sebagai  pengembangan  dari  persamaan Chezy .  Rumus  ini  pada umumnya  dipakai  untuk  menghitung  kerugian head dalam  pipa  yang  relatif  sangat panjang seperti  jalur pipa penyalur  air minum.  Persamaan ini lebih mudah  digunakan untuk menghitung kerugian pipa secara manual pada sistem yang terdiri dari bermacam- macam  pipa  dibandingkan  dengan  menggunakan  persamaan Darcy-Weisbach . Persamaan ini digunakan hanya untuk aliran turbulen [1].
Bentuk umum persamaan Hazen – Williams [1] ditunjukkan pada persamaan (1) berikut ini.
h f = L D C Q 87 , 4 85 , 1 85 , 1 67 , 10 ..............(1)
Keterangan: h f = Kerugian head akibat gesekan (m) Q = Debit air (m 3 /s) D = Diameter dalam pipa (m) L = Panjang pipa (m) C = Resistance Coefficient

## Kerugian Head Minor
Kerugian head minor terjadi diawal  pipa, belokan pipa, perubahan penampang, dan  lain  –  lain  ( fitting ).  Kerugian head minor  [2]  dapat  dinyatakan  dengan  persamaan (2) berikut ini.
h m =  g v nK 2 2 ..................... (2)
Keterangan: h m = Kerugian head minor (m) v = Kecepatan air dalam pipa (m/s)  nK = Total koefisien kerugian pada fitting

## Kavitasi pada Turbin Francis
Kavitasi  berasal  dari  kata  “cavus”  yang  berarti  kosong.  Kavitasi  adalah  suatu peristiwa  terjadinya  gelembung-gelembung  uap  di  dalam  air  yang  mengalir  apabila tekanan di tempat tersebut sama atau di bawah tekanan uap jenuhnya. Air pada kondisi biasa akan mendidih dan menguap pada suhu 100 0 C di tekanan 1 atm, apabila tekanan berkurang  sampai  cukup  rendah,  air  pada  suhu  udara  lingkungan  yaitu  sekitar  20 o C- 33 o C akan mendidih dan menguap. Tempat-tempat bertekanan rendah atau berkecepatan tinggi  mudah  terjadi  kavitasi,  terutama  pada  sisi  keluar  runner  dan  bagian  masuk  pipa isap. Kavitasi akan timbul apabila tekanannya terlalu rendah. Proses terjadinya kavitasi adalah sebagai berikut, air yang mengandung udara atau gelembung-gelembung uap air yang  disebabkan  oleh  adanya  kondisi  setempat  yang  tekanannya  turun  hingga  dapat menimbulkan penguapan. Pada tempat yang tekanannya lebih tinggi, maka gelembung- gelembung  tersebut  akan  terkondensasi  dan  pecah  dengan  tiba-tiba,  hal  ini  akan mengakibatkan  tekanan  pada  sisi  masuk  pipa  isap  atau  komponen  turbin  lainnya. Pecahnya  gelembung-gelembung  ini  akan  menghasilkan  tekanan  yang  sangat  tinggi. Penurunan  tekanan  aliran  didalam  turbin  air  disebabkan  perubahan  energi  tekanan menjadi  energi  kecepatan  ( Bernoulli ).  Makin  tinggi  kecepatan  aliran  dan  makin
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
tinggi temperatur  airnya,  maka  makin  tinggi  pula  bahaya  dari  pembentukan  uap  dan kavitasi [3].

## Faktor Kavitasi
Prof.  Dietrich  Thoma dari Munich ,  Jerman  mengemukakan  faktor  atau  tingkat kavitasi  (sigma/angka Thoma )  untuk  menentukan  tekanan  dimana  turbin  dapat  bekerja tanpa  terkena  dampak  kavitasi  sehingga  kavitasi  dapat  dihindari.  Untuk  menghindari kavitasi  perlu  diketahui  angka Thoma kritis  [4].  Adapun  nilai  angka Thoma kritis  ( σ c ) yaitu sebagai berikut pada persamaan (3):
𝜎 𝑐 = 𝑝 𝑎𝑡𝑚 −𝑝 𝑣 −ℎ 𝑠 ℎ 𝑒𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑓 ....................(3)
dimana: 𝜎 𝑐 = Angka Thoma kritis 𝑝 𝑎𝑡𝑚 = Head tekanan atmosfer (m) 𝑝 𝑣 = Head tekanan uap jenuh (m)
h s = Jarak vertikal antara sumbu pusat runner dan tail water level (m) h eff = Head efektif (m) = Head maksimum – Kerugian head ( head race sampai inlet valve )
Adapun  angka Thoma pada  saat  turbin  bekerja  disebut  angka Thoma Aktual [4].Untuk  menghitung  nilai  aktual  dari  faktor  kavitasi  ( 𝜎 𝑎 )  yaitu  pada  persamaan  (4) berikut:
𝜎 𝑎 = 𝑝 𝑎𝑡𝑚 −𝑝 𝑚𝑖𝑛 −ℎ 𝑠 ℎ 𝑒𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑓 ......................(4)
dimana: 𝜎 𝑎 = Angka Thoma aktual 𝑝 𝑎𝑡𝑚 = Head tekanan atmosfer (m) 𝑝 𝑚𝑖𝑛 = Head tekanan minimum pada komponen turbin yang diteliti (m) H s = Jarak vertikal antara sumbu pusat runner dan tail water level (m) H eff = Head efektif (m) = Head maksimum – Kerugian head dari head    race sampai inlet valve )
Agar kavitasi tidak terjadi maka head tekanan minimum ( 𝑝 𝑚𝑖𝑛 ) harus lebih besar daripada head tekanan uap jenuh cairan ( 𝑝 𝑣 ). Selain itu agar tidak terjadi kavitasi maka nilai σ a harus  lebih  kecil  daripada  nilai σ c [4].  Dari  keadaan  tersebut  maka  dapat diketahui besarnya tingkat kavitasi, yaitu persamaan (5):
T 𝑖𝑛𝑔𝑘𝑎𝑡 K 𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 = 𝜎 𝑎 𝜎 𝑐 ................(5)
Keterangan: 𝜎 𝑐 = Thoma kritis 𝜎 a = Thoma aktual
Dari rumus diatas jika didapatkan nilai lebih dari 1 maka dapat dipastikan dalam turbin tersebut terjadi kavitasi dan sebaliknya, jika didapatkan nilai kurang dari 1 maka pada turbin tersebut tidak terjadi kavitasi [4].

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
ISSN  0216-7492
Penelitian dan pengambilan data dilakukan selama 2 hari pada tanggal    14-15 Juli  2014  di  PLTA  Siguragura  P.T.  Inalum  (Persero)  di  Paritohan,  Kecamatan  Pintu Pohan Meranti, Kabupaten Tobasa, Sumatera Utara.

## Instalasi Penelitian
Turbin yang diteliti dalam instalasi penelitian ini adalah Turbin Francis Vertikal Unit-3  PLTA  Siguragura.  Gambar  sederhana  tiga  dimensi  instalasi  penelitian  pada skripsi ini ditunjukan pada gambar 1.
Gambar 1. Instalasi Penelitian

## Metode Pengumpulan Data
Data yang digunakan dalam penelitian ini terbagi menjadi dua, yaitu:
a. Data  primer,  merupakan  data  yang  diperoleh  dari  pengujian  PLTA  Siguragura  P.T. Inalum (Persero), seperti: spesifikasi lengkap turbin Francis vertikal (gambar kerja), head maksimum,  debit  air  masuk  turbin,  suhu  air,  dan  tekanan  minimum  di  sisi masuk pipa isap turbin, serta survei lapangan yang dilakukan oleh peneliti.
b. Data  sekunder,  merupakan  data  yang  bersumber  dari  pustaka-pustaka  yang mendukung penelitian.

## Metode Pengolahan Data
Metode pengolahan data yang dipakai dalam penelitian ini terbagi menjadi dua, yaitu:
a. Metode Analisis Perhitungan
Metode  analisis  perhitungan  ini  menggunakan  rumus-rumus  yang  bersumber  dari pustaka.  Adapun  rumus  yang  dipakai  seperti:  Persamaan Hazen-Williams ,  rumus head    losses  minor ,  persamaan    kontinuitas,  angka Thoma ,  dan  tingkat  kavitasi. Penghitungan  dengan  menggunakan  rumus-rumus  tersebut  dilakukan  di Software Microsoft  Office  Excel  2007 sehingga  data  hasil  perhitungan  dapat  ditampilkan dalam tabel dan grafik.
b. Metode Simulasi
Metode  simulasi  dilakukansebagai  pembanding  dengan  hasil  dari  metode  analisis perhitungan  sehingga  diperoleh  nilai  galat.  Metode  simulasi  dalam  penelitian  ini menggunakan  dua  software,  yaitu Software  Pipe  Flow  Expert  V  5.12 (simulasi kerugian  head  untuk  mendapatkan  head  efektif)  dan Software  ANSYS  Workbench
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
ISSN  0216-7492
14.0 (simulasi  tekanan  minimum  dan  uap  jenuh  di  sisi  masuk  pipa  isap/ draft  tube untuk mendapatkan tingkat kavitasi).

## Prosedur Penelitian
Prosedur penelitian dalam skripsi ini dibagi menjadi tiga yaitu: a. Prosedur Penelitian dengan Metode Analisis Perhitungan
1). Diambil data pengujian debit air masuk turbin (Q) di tiap bukaan sudu pengarah (GVO)
2). Ditentukan nilai koefisien kekasaran pipa (C) dari tabel Hazen-Williams
3). Dihitung  nilai  kerugian head mayor  (h f )  dengan  dimasukkannya  nilai  Q,  C, L  (panjang  pipa),  D  (diameter  pipa)  pada  persamaan Hazen-Williams di  setiap bagian pipa turbin.
4). Dihitung kecepatan aliran (v) pipa di setiap bukaan sudu pengarah
5). Ditentukan nilai  koefisien kekasaran (K) di  setiap komponen kelengkapan pipa berdasarkan tabel koefisien kekasaran komponen kelengkapan pipa
6). Dihitung  nilai  kerugian head minor  (h m )  di  tiap  komponen  kelengkapan  pipa dengan  dimasukkan  nilai  K,  v,  dan  g  (percepatan  gravitasi)  ke  persamaan kerugian head minor
7). Dihitung nilai kerugian head total (h L ) pada setiap bukaan sudu pengarah 8). Dihitung nilai kerugian head efektif (h efektif ) pada setiap bukaan sudu pengarah
9). Diambil data pengujian tekanan minimum (p min ) dan jarak vertikal antara runner dan tail water level (h s ) pada setiap bukaan sudu pengarah 10). Ditentukan nilai tekanan uap jenuh air di turbin (p v ) dan tekanan atmosfer (p atm ) di permukaan head race dan tail race water level berdasarkan suhu (T) pada saat pengambilan data.
11). Dihitung nilai angka Thoma aktual (σ a ) dan kritis (σ c ) dengan dimasukkan nilai p atm , p min , p v , h s , h efektif ke rumus angka Thoma aktual dan kritis 12). Dihitung  nilai  tingkat  kavitasi  di  setiap  bukaan  sudu  pengarah  dengan dibandingkan nilai σ a terhadap σ c 13). Diperoleh tingkat kavitasi terbesar dan terkecil dari setiap bukaan sudu pengarah yang diuji.

## b. Prosedur Penelitian dengan Metode Simulasi (Software Pipe Flow Expert V 5.12)
1). Dibuka program Pipe Flow Expert V 5.12
2). Diatur terlebih dahulu satuan (Unit: Metrik)
3). Dibuat reseroir ( Head race water level ) dengan perintah Add Tanks
4). Ditentukan  fluida  yang  mengalir  di  turbin  dengan  dimasukkan  spesifikasi  sifat air yaitu suhu fluida (T), tekanan fluida (p), massa jenis (ρ), tekanan uap jenuh (p v ), surface pressure (p atm ), liquid level (h max ), bottom elevation (titik acuan)
5). Dibuat  sistem  jaringan  pipa  ( Head  Race  Tunnel,  Penstock  #1 sampai Penstock #4 ) dengan perintah Add Pipes
6). Dimasukkan  nilai  panjang  pipa  ( Length ),  diameter  dalam  ( internal  diameter ), dan kekasaran pipa ( roughness ) pada tiap pipa
7). Dibuat  komponen  kelengkapan  pipa  ( Entrance,  Gate  Valve,  Wye  Branch,
Bending  90 o ,  Gradual  Contraction,  Spherical  Branch,  Butterfly  Valve )  dengan perintah Add Fittings .
8). Dimasukkan nilai elevasi tiap pipa ( Elevation of Joint ) dan nilai debit aliran air masuk turbin ( Add Demand )
9). Diklik calculate untuk diperoleh kerugian head mayor dan kerugian head minor
10). Dilakukan kembali input data (prosedur nomer 4 dan seterusnya) jika result log tidak berhasil
11). Dilakukan kembali input data (prosedur nomer 8 dan seterusnya) untuk bukaan sudu pengarah yang lainnya dengan diubahnya nilai debit air masuk turbin.
12). Dihitung galatnya antara simulasi dan metode analisis perhitungan
c. Prosedur Penelitian dengan Metode Simulasi (Software ANSYS Workbench 14.0) 1). Dibuat terlebih dahulu geometri pipa isap ( Draft Tube ) di Solidworks 2010
2). Dilakukan proses import geometri di ANSYS Workbench 14.0 dengan dibukanya file berekstensi STEP File dari Solidwork 2010
3). Dilakukan proses Meshing secara otomatis dengan perintah Generate Mesh
4). Dilakukan  proses SETUP dengan  diaturnya: Scale ( mm ) ;  Model ( Viscous, Standard  k-Epsilon-2  eqn,  Standard  Wall  Functions ) ;  Material ( Fluid-Water,
Solid-Steel ) ;  Cell  Zone  Condition ( Type:  Fluid ) ;  Boundary  Condition-Input [ Gauge  Total  Pressure ( Pa ) ;  Turbulent  Intencity ( % ) ,  Turbulent  Viscousity Ratio ] ;  Reference  Values [ Density  (kg/m 3 ),  Pressure ( Pa ) ,  Temperatur ( K ) , Velocity ( m/s )] ;  Solution  Method [ Momentum dan Turbulent  Kinetic  Energy ( First  Order  Upwind )] ;  Monitor [Titik  Pengukuran -SurfacePoint-koordinat (X,Y,Z) ] ;  Solution  Initialization [ Standard  Initialization,    Compute  from:  Input,
Initial Value: Gauge Pressure ( Pa ) , Y Velocity (m/s) ] ; Run Calculation: Number of Iteration.
5). Diklik calculate untuk  melakukan  proses  iterasi  tekanan  minimum  dan  uap jenuh fluida di sisi masuk pipa isap
6). Dilakukan  kembali  prosedur  nomer  4  jika  iterasi  tidak  berhasil  atau  tidak konvergen
7). Diplot  kontur  tekanan  pada surface  point di  sisi  masuk  pipa  isap  dengan  menu volume rendering (variabel tekanan) jika iterasi berhasil (konvergen)
8). Dilakukan proses penyimpanan pada program ANSYS
9). Dibuka  file Notepad dengan  ekstensi outfile sehingga  diperoleh  hasil  iterasi tekanan minimum (p min ) dan tekanan uap jenuh (p v ) dalam satuan Pascal
10). Dilakukan  kembali  prosedur  nomer  4  dan  seterusnya  untuk  bukaan  sudu pengarah lainnya
11). Dihitung galatnya antara simulasi dan metode analisis perhitungan
4. ANALISA DAN PEMBAHASAN

## Kerugian Head Mayor pada Tiap GVO (Perhitungan dan Simulasi)
Gambar  2  berikut  ini  adalah  grafik  yang  menunjukan  perbandingan  hasil perhitungan  antara  kerugian head mayor  dengan  metode  analisis  perhitungan (persamaan Hazen-Williams ) dan simulasi ( Software Pipe Flow Expert V 5.12 )
Gambar 2. Grafik Bukaan Sudu Pengarah terhadap Kerugian Head Mayor (Perhitungan dan Simulasi)
Berdasarkan  gambar  2  ditunjukkan  bahwa  galat  antara  metode  analisis perhitungan  dan  simulasi  cukup  besar  karena  kerugian head mayor  pada  analisis perhitungan  menggunakan  persamaan Hazen-Williams ,  sedangkan  pada  simulasi menggunakan  persamaan Darcy-Weisbach .  Selain  itu,  semakin  besar  bukaan  sudu pengarah maka semakin besar kerugian head mayor karena nilai debit aliran air masuk yang semakin besar pula.

## Kerugian Head Minor (Perhitungan dan Simulasi)
Gambar 3 berikut ini adalah grafik hasil perhitungan kerugian head minor antara hasil  perhitungan  dari  analisis  perhitungan  menggunakan  persamaan  (2)  dan Software Pipe Flow Expert V 5.12 .
Gambar 3. Grafik Bukaan Sudu Pengarah  terhadap Kerugian Head Minor (Perhitungan dan Simulasi)
Berdasarkan  gambar  3  ditunjukkan  bahwa  galat  antara  metode  analisis  perhitungan dan  simulasi  menunjukkan  nilai  yang  sangat  kecil  sehingga  kedua  kurva  pada  grafik berimpit.  Hal  itu disebabkan karena persamaan yang digunakan antara metode analisis perhitungan  dan  simulasi  sama  yaitu  dengan  menggunakan  persamaan  (2).  Selain  itu, semakin besar bukaan sudu pengarah maka semakin besar kerugian head minor karena kecepatan air yang semakin besar pula.

## Kerugian Head Total (Perhitungan dan Simulasi)
Kerugian head total  di  bawah  ini  adalah  hasil  dari  penjumlahan  kerugian  head mayor dan minor dari metode analisis perhitungan dan metode simulasi ( Software Pipe Flow Expert V 5.12 ) yang ditunjukkan pada gambar 4.
Gambar 4. Grafik Bukaan Sudu Pengarah  terhadap Kerugian Head Total (Perhitungan dan Simulasi)
Berdasarkan  grafik  di  atas  diperoleh  nilai  galat  dari  3,751%  hingga  8,289%. Nilai  galat  terbesar  terdapat  pada  GVO  19,5  mm  dan  terkecil  pada  GVO  195  mm. Selain  itu,  hasil  perhitungan  kerugian head dengan  menggunakan  metode  analisis perhitungan lebih besar daripada menggunakan simulasi ( Software Pipe Flow Expert V 5.12 ).

## Head Efektif pada Tiap GVO (Perhitungan dan Simulasi)
Head efektif yang dihitung pada penelitian ini merupakan head maksimum pada Turbin  yang  dikurangi  dengan  kerugian head total  dari gate  valve sampai inlet  valve yang ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Grafik Bukaan Sudu Pengarah terhadap Head Efektif (Perhitungan dan Simulasi)
Berdasarkan gambar 5 ditunjukkan bahwa semakin besar bukaan sudu pengarah makan semakin kecil head efektif karena kerugian head yang semakin besar pula.

## Hubungan antara GVO dan Tekanan pada Sisi Masuk Pipa Isap (Pengujian)
Data  bukaan  sudu  pengarah  ( Guide  Vane  Opening / GVO )  terhadap  tekanan minimum  (p min )  dan  tekanan  uap  jenuh  ( p v )  di  bawah  ini  merupakan  hasil  pengujian Turbin  Francis  Vertikal  Unit-3  PLTA  Siguragura  yang  dilakukan  oleh  P.T.  Inalum (Persero)  pada  tanggal  10  November  2011.  Nilai  tekanan  minimum  di  diperoleh  dari pembacaan alat ukur pressure transducer di turbin pit. Tekanan minimum di atas adalah nilai  tekanan  yang  diperoleh  setelah  dilakukan  pengujian  sebanyak  3  kali  dan  diambil nilai tekanan yang paling kecil (p min ). Nilai  tekanan  uap  jenuh  pada  tiap  GVO  adalah sebesar  3,491  kPa.  Nilai  tersebut  diperoleh  dari  interpolasi  dari  tabel Physical Properties  of  Water Tekanan  uap  tersebut  terletak  pada  suhu  26,5 o C  (suhu  air  yang
diukur di P.T. Inalum pada tanggal 10 November 2011). Nilai tekanan uap jenuh dalam satuan  kPa  dikonversikan  menjadi  satuan  mH 2 O  agar  memiliki  satuan  yang  sama dengan  tekanan  minimum  pada  sisi  masuk  pipa  isap  dimana  1  kPa  sebanding  dengan 0,101972 mH 2 O. Jadi tekanan uap jenuh di sisi masuk pipa isapsebesar 0,356 mH 2 O. Gambar 6  berikut  ini adalah grafik yang menunjukkan menunjukkan  hubungan tekanan minimum dan tekanan uap jenuh pada tiap GVO di sisi masuk pipa isap .
Gambar 6. Grafik Bukaan Sudu Pengarah terhadap Tekanan (Pengujian)
Berdasarkan  grafik  pada  gambar  6  ditunjukkan  bahwa  pada  awal  GVO mengalami  kenaikkan  tekanan  dan  di  pertengahan  dan  akhir  GVO  mengalami penurunan tekanan. Tekanan minimum tertinggi yaitu sebesar 3,5 mH 2 O pada GVO 102 mm,  sedangkan  tekanan  minimum  terendah  yaitu  sebesar  0,8  mH 2 O  pada  GVO  195 mm. Tekanan uap jenuh memiliki nilai  yang tetap karena nilai  tersebut  akan dijadikan sebagai komponen perhitungan pada nilai angka Thoma kritis yang nilainya juga tetap. Tekanan  uap  jenuh  ini  terjadi  pada  temperatur  air  konstan  yang  mengalir  di  pipa  isap yaitu  pada    suhu  26,5 o C.  Nilai  tekanan  tersebut  naik  karena  head  tekanan  berubah menjadi head kecepatan, begitu juga sebaliknya [3].

## Hubungan antara GVO dan Tekanan pada Sisi Masuk Pipa Isap    (Simulasi)
Gambar  7  berikut  ini  adalah  hasil  dari  metode  penilitian  dengan  simulasi  yang menggunakan Software ANSYS Workbench 14.0 dan dibandingkan dengan nilai tekanan minimum  (p min )  yang  diperoleh  dari  pengujian  dan  tekanan  uap  jenuh  (p vapor /p v )  dari tabel  sifat  air.  Nilai  tekanan  minimum  dan  uap  jenuh  dari  metode  simulasi  diperoleh setelah melakukan iterasi pada software .

## Gambar 7. Grafik Bukaan Sudu Pengarah
terhadap Tekanan (Simulasi)
Berdasarkan grafik di atas ditunjukkan bahwa Tekanan minimum tertinggi yaitu sebesar 3,5181 mH 2 O pada GVO 102 mm, sedangkan tekanan minimum terendah yaitu sebesar 0,8204 mH 2 O pada GVO 195 mm, dan tekanan uap jenuhnya sama pada 0,3603 mH 2 O.
Hubungan  antara  GVO  dan  Angka  Thoma  pada  Sisi  Masuk  Pipa  Isap (Perhitungan)
Angka Thoma yang dihitung  pada penelitian ini  yaitu angka Thoma aktual  dan angka Thoma kritis.  Angka Thoma kritis  (σ c )  dihitung  berdasarkan  persamaan  (3) sedangkan  angka Thoma aktual  (σ a )  dihitung  berdasarkan  persamaan  (4).  Gambar  8 berikut  ini  adalah  grafik  yang  menunjukkan  hubungan  antara  GVO  dan  angka Thoma aktual dan kritis pada sisi masuk pipa isap dengan menggunakan metode perhitungan.
Gambar 8. Grafik Bukaan Sudu Pengarah terhadap Angka Thoma (Perhitungan)
Berdasarkan  gambar  di  atas  ditunjukkan  bahwa  semakin  besar  GVO  maka semakin besar pula angka Thoma aktual dan angka Thoma kritis pada sisi  masuk pipa isap.

## Hubungan  antara  GVO  dan  Tingkat  Kavitasi  pada  Sisi  Masuk    Pipa  Isap (Perhitungan)
Tingkat  kavitasi  dihitung  berdasarkan  persamaan  (5).  Gambar  9  berikut  ini adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara GVO dengan Tingkat  Kavitasi pada sisi masuk pipa isap dengan menggunakan metode analisis perhitungan.
Gambar 9.Grafik Bukaan Sudu Pengarah terhadap Tingkat Kavitasi (Perhitungan) Berdasarkan grafik di atas ditunjukkan bahwa di awal hingga pertengahan GVO, tingkat  kavitasi  mengalami  penurunan  yang  tidak  terlalu  signifikan;  sedangkan  di pertengahan  dan  akhir  GVO,  tingkat  kavitasi  mengalami  peningkatan  yang  cukup signifikan.  Tingkat  kavitasi  terbesar  yaitu  sebesar  0,9743  pada  GVO  195  mm; sedangkan  tingkat  kavitasi  terkecil  yaitu  sebesar  0,8099  pada  GVO  102  mm. Berdasarkan  nilai  tingkat  kavitasi  di  atas  pada  tiap  GVO  diketahui  bahwa  pada  sisi masuk  pipa  isap  tidak  mengalami  kavitasi,  tetapi  nilai  yang  mendekati  1  (rentan kavitasi) dialami pada tingkat kavitasi terbesar yaitu pada GVO 195 mm. Kenaikan dan penurunan tingkat kavitasi disebabkan oleh perubahan head tekanan menjadi kecepatan dan sebaliknya (Persamaan Bernoulli) [3].

## Hubungan  antara  GVO  dan  Tingkat  Kavitasi  pada  Sisi  Masuk  Pipa  Isap (Perhitungan dan Simulasi)
Tingkat  kavitasi  pada  simulasi    dihitung  juga  dengan  menggunakan  formula yang sama yaitu berdasarkan persamaan  (5) dimana angka Thoma aktual dan kritisnya didapatkan  dari  nilai  tekanan  minimum  dan  tekanan  uap  jenuh  pada  metode  simulasi. Gambar  10  berikut  ini  berikut  ini  menunjukkan  hubungan  antara  GVO  dan  tingkat kavitasi pada sisi masuk pipa isap.
Gambar 10. Grafik Bukaan Sudu Pengarah  terhadap Tingkat Kavitasi (Perhitungan dan Simulasi)
Berdasarkan  grafik di  atas  ditunjukkan bahwa tingkat  kavitasi  pada sisi masuk pipa isap  antara  metode  perhitungan  (persamaan  5)  dan  simulasi  ( Software  ANSYS Workbench 14.0 ) tidak memiliki perbedaan yang besar karena nilai galat untuk tekanan minimum antara keduanya kecil, yaitu dari 0,0431 % sampai 0,2910 %. Tingkat kavitasi terbesar  pada  metode  simulasi  yaitu  sebesar  0,9734  pada  GVO  195  mm;  sedangkan tingkat kavitasi terkecil pada metode simulasi yaitu sebesar 0,8090 pada GVO 102 mm. Berdasarkan  nilai  tingkat  kavitasi  tersebut  dapat  disimpulkan  hal  yang  sama  dengan metode perhitungan yaitu pada sisi masuk pipa isap tidak mengalami kavitasi pada tiap GVO,  tetapi  nilai  yang  mendekati  1  (rentan  kavitasi)  dialami  pada  tingkat  kavitasi terbesar yaitu pada GVO 195 mm.

## 5. KESIMPULAN
a. Tingkat  kavitasi  terbesar  di  Sisi  Masuk  Pipa  Isap  ( Draft  Tube )  Turbin  Francis Vertikal  Unit  3  PLTA  Siguragura  P.T.  Inalum  (Persero)  berdasarkan  metode perhitungan  yaitu  sebesar  0,9743  pada  bukaaan  sudu  pengarah  ( Guide  Vane Opening /GVO)  sebesar  195  mm;  sedangkan  tingkat  kavitasi  terkecil  yaitu  sebesar 0,8099 pada GVO sebesar 102 mm. Berdasarkan metode simulasi diperoleh tingkat kavitasi terbesarnya yaitu sebesar 0,9734 pada bukaaan sudu pengarah ( Guide Vane Opening /GVO)  sebesar  195  mm,  sedangkan  tingkat  kavitasi  terkecil  yaitu  sebesar 0,8090 pada GVO sebesar 102 mm.
b. Kavitasi tidak terjadi pada Sisi Masuk Pipa Isap ( Draft Tube ) Turbin Francis Vertikal Unit  3  PLTA  Siguragura    pada  GVO  102  mm  karena  tingkat  kavitasinya (perbandingan angka Thoma aktual dan kritis) di bawah nilai 1 dimana angka Thoma aktual  perhitungan  dan  simulasinya  masing-masing  adalah  0,0589  dan  0,0588  lebih kecil daripada angka Thoma kritis perhitungan dan simulasinya masing-masing yaitu sebesar 0,0727 dan 0,0726; sedangkan pada GVO 195 mm tidak terjadi kavitasi juga, tetapi  rentan  mengalaminya  karena  tingkat  kavitasinya  mendekati  nilai  1  dimana angka Thoma aktual perhitungan dan simulasinya masing-masing adalah 0,0772 dan 0,0769, sedangkan angka Thoma kritis perhitungan dan simulasinya masing-masing sebesar 0,0792 dan 0,0790.
c. Bukaan sudu pengarah (GVO) yang terbaik digunakan untuk menghindari kavitasi di sisi  masuk  pipa  isap  turbin  yaitu  pada  102  mm  karena    memiliki  tingkat  kavitasi terkecil,  sedangkan  GVO  yang  dihindari  untuk  digunakan  karena  paling  rentan
terkena  kavitasi  yaitu  pada  GVO  sebesar  195  mm  karena  memiliki  tingkat  kavitasi terbesar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Wikipedia Bahasa Inggris. Hazen-Williams Equation dalam http://en.wikipedia.org/wiki/Hazen%E2%80%93Williams_equation diakses  pada tanggal 1 Oktober 2014.
[2] Rayan,  Magdy  Abou.  2009. A  Textbook  of  Hydraulic  Machines .  Egypt:  Zagagig University.
[3]   Dietzel, Fritz. 1988. Turbin, Pompa, dan Kompresor . Jakarta: Erlangga.
[4]   Massey, Bernard. 2006. Mechanic of Fluids, Eight Edition . London & New York: Taylor & Francis Group.