INVESTIGASI BENTUK VARIASI DRAFT TUBE PADA TURBIN BANKI TERHADAP ALIRAN SUDU BERBASIS CFD
Sirojuddin 1* , Fadilah Chaerul Iman 1 , Darwin Rio Budi Syaka 1
1,2 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Jakarta
* sirojuddin@unj.ac.id , fadilahchaeruliman040997@gmail.com

## Abstrak
Peningkatan effisiensi merupakan hal yang sangat penting dalam turbin air Banki. Salah satu cara meningkatkan effisiensi adalah dengan memasang draft tube sehingga energi kinetik yang keluar dari turbin dapat diubah menjadi energi tekanan. Tujuan riset ini adalah untuk  menginvestigasi variasi bentuk draft tube dari 5 varian.  Mulai dari varian DT-1, DT-2, DT-3, DT-4 dan DT-5. Gambar dibuat dalam bentuk 2D menggunakan AutoCad dan gambar desain yang sudah di matangkan di software 2D di buat dalam bentuk 3D kemudian disimulasikan dalam software CFD. Debit air masuk yang digunakan adalah sebesar 0,0333 m 3 /s, tinggi jatuh 5,5 m. Dari hasil simulasi CFD SolidWork Flow Simulation diperoleh varian DT-3 dan DT-5 yang terbaik dimana aliran pada sudu runner tingkat 1  dan  tingkat  2  menghasilkan  flow  trajectory  yang  sangat baik  dan  tidak  membentur  poros  Pada  Varian  DT-3 walau pada varian DT-5 masih membentur poros. Daya yang diperoleh berdasarkan gaya drag pada sudu berturut – turut adalah 87,1% dan 88,4%.
Kata kunci : variasi draft tube, CFD simulation, flow trajectory, aliran sudu, effisiensi.
1. Pendahuluan
Turbine air Banki adalah jenis turbin cross-flow, biasa digunakan pada pembangkit listrik skala kecil, untuk  daerah  terpencil  yang  belum  ada  pasokan listriknya. Aliran air yang menggerakkan turbin dapat berupa  :   saluran  irigasi,  sungai  atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air.
Suwignyo,  (2018)  menyatakan  bahwa  turbin cross-flow  merupakan  jenis  dari  pembangkit  listrik tenaga mikro hidro atau PLTMH (daya terbangkit < 200  kW)  dan  menurut  Kementrian  ESDM  RI. Peraturan No.8 (2011) pembangkit listrik skala mikro hidro  (PLTMH)  yakni  bila  daya  yang  dibangkitkan dibawah 1 MW.
Bansal,  R.K.  (2005)  menerangkan  bahwa  Draft tube merupakan suatu pipa atau saluran  yang secara bertahap  meningkatkan  area  yang  menghubungkan saluran  keluar  runner  ke  alam.  ini  digunakan  untuk mengeluarkan  air  dari  pintu  keluar  turbin  ke  alam. salah  satu  ujung  draft  tube  terhubung  ke  kebagian luaran  aliran  akhir  turbin.  Darft  tube  itu  sendiri memiliki dua fungsi utama yakni; 1. Sebagai saluran yang  dapat  menkonversi  energi  kinetik  (velocity) menjadi  energi  tekanan  atau  potensial  yang  akan hilang begitu saja jika tidak di gunakannya draft tube. 2.  Untuk  memasang  runner  turbin  di  atas  atau  di bawah  permukaan  air  untuk  menghindari  kavitasi, tanpa mempengaruhi head bersih.
Berdasarkan  penelitian  yang  telah  dilakukan Marsan,  K.  (2007)  menyimpulkan  bahwa  nilai  drag pada sudu runner turbin cross flow berbanding lurus terhadap  perubahan  harga  outlet  angle  dan  angle  of
attack.  penelitian  ini  hanya  membahas  tentang bagaimana pengaruh jenis bentuk sudu secara khusus, dan  tidak  membahas  mengenai  hubungannya terhadap  draft  tube.  Sementara  White,  M.  (2017) Menerangkan Drag Force pada suatu permukaan plat akan  sangat  menguntungkan  tetapi  dalam  beberapa kasus yakni pada bentuk airfoil gaya drag merupakan gaya yang harus lebih kecil dari gaya angkat.
Palde, U.J., (1972) dalam bukunya menerangkan bahwa  sudut  diffuse  draft  tube  merupakan  bentuk geometri yang signifikan mempengaruhi surging atau karakteristik  aliran  balik  yang  terjadi  pada  aliran. Surging  tersebut  dapat  di  minimalisir  dengan mengekspansi  sudut  equivalen  sekitar  15  derajat melalaui  panjang  draft tube  dan resonansi diketahui dengan  frekuensi  alamiah  fitur  pembangkit  lainnya dapat  di  lihat  dengan  hasil  yang  telah  muncul. Resonansi  tersebut  dapat  di  cegah  dengan  memilih komponen  dengan  geometri  design  draft  tube  yang tepat.
Pada penelitian yang di lakukan oleh Choi & Son, (2012) telah di ketahui bahwa Bentuk pada draft tube mempengaruhi aliran sudu runner pada tingkat 1 dan tingkat 2 runner.  Penelitian ini tidak memvariasikan tinggi  draft  tube,  tetapi  hanya  memvariasikan  sudut diffuse draft tube pada ketinggian yang sama.
Reddy,  et  al  (1996)  melakukan  penelitian eksperimental mengenai darft tube pada turbin cross- flow,  di  dapat  bahwa   ukuran  dan  bentuk draft  tube yang tepat dapat memberikan efek yang positif dalam peningkatan turbin performa pada setiap head turbin. pada  pengujian   saat  kecepatan  putar  mencapai kecepatan  tertentu  penggunaan  darft  tube  dengan
ukuran  300  mm  pada  head  6  m  memiliki  keluaran daya  output  yg  tertinggi  dibandingkan  dengan  jenis draft tube lainnya pada head yang sama. Penelitian ini tidak  memvariasikan  sudut  diffuse  draft  tube  tetapi hanya memvariasikan tinggi draft tube.
Subekti, R (2012) meneliti tentang optimasi draft tube Menemukan bahwa hasil simulasi aliran secara numerik  atau  CFD memiliki  validitas  yang  baik  hal ini terbukti dengan perbandingan nett mass flow dan mass flow rate pada sisi inlet draft tube yakni 1,091 x 10 -6 %  hal  ini  masih  sangat  baik  karena  masih  di bawah  1  %.  Tetapi  penelitian  ini  tidak  menunjukan seberapa efisiensi yang bisa di dapatkan dikarenakan penelitian  hanya  fokus  terhadap  perbandingan tekanannya saja.
Jeon, et al (2013) melakukan penelitian mengenai pengaruh  bentuk  variasi  draft  tube  pada  turbin francise, penelitian ini dilakukan dengan metode CFD pada  aplikasi  ANSYS,  variasi  memiliki  3  bentuk yang berbeda. Dilihat dari ilustrasi yang tertera pada jurnal  bentuk  variasi  yakni  saluran  tunggal  (1),  dua percabangan (2) dan 3 percabangan (3). ketiga variasi tersebut di lihat berdasarkan vortex pada aliran dan di dapat  pada  draft  tube  jenis  B  dapat  menghilangkan pengaruh  vortex  pada  dinding  draft  tube. Penelitian ini  fokus  pada  penghilangan  vortex  tetapi  tidak membahas  mengenai  gaya  drag  akibat  bentuk  draft tube.
Patil  &  Raghu.  (2014)  melakukan  penelitian mengenai  draft  tube  dengan  melihat  efisiensi  draft tube  jenis  conical  draft  tube  dengan  3  variasi  sudut diffuse yang berbeda dan 4 Ratio L/D yang berbeda. di  dapat  dari  hasil  simulasi  menggunakan  CFD efisiensi  draft  tube  tipe  conical  darft  tube  dengan varian L/D = 13 dan sudut diffuse 6 derajat mencapai efisiensi  yang  maksimum  yakni  sebesar  99.8%  dan juga ditemukan bahwa varian dengan ratio L/D yang bernilai  lebih  dari  13  cenderung  akan  mengalami masalah  kavitasi.  Dalam  penelitian  ini  metode pengambilan  nilai  efisiensi  dilakukan  dengan    tidak langsung menghitung efisiensi performa turbin secara keseluruhan  tetapi  hanya  menghitung  efisiensi  draft tube itu sendiri dengan melihat nilai kecepatan  pada inlet dan outlet draft tube.
Tian, et al (2015) melakukan percobaan simulasi draft tube pada aplikasi CFD dengan menambahkan Vortex  Generator.  Dari  hasil  penelitian  yang  di lakukan,  mereka  menemukan  bahwa  penambahan Vortex  Generator memiliki  dampak  yang  signifikan pada  performa  turbin.  peningkatakan  performa mencapai  4,3%  dengan  head  dibawah  5  m  sedang pada  head  yang  lebih  besar  peningkatakan  efisiensi hanya mencapai 1.5%. Vortex Generator dengan sirip yang  relatif  kecil  dapat  mampu  memperbaiki  sifat aliran sedangkan Vortex Generator yang lebih besar malah  justru  akan  mengakibatkan  gangguan  akibat vortex yang akan merusak. Penenlitian ini dilakukan dengan  menggunakan  feature  Vortex  Generator tetepai tidak membahas performa turbin di tinjau dari
gaya drag pada sudu ataupun kecepatan pada inlet dan outlet draft tube.
Agarwal,  et  al  (2017)  melakukan  percobaan bentuk  draft  tube  yang  terdiri  dari  3  jenis  berbeda yakni  conical  type,  curved-elbow  type  dan  Bell Mouth Type.  Ketiga  jenis tersebut  mewakili  bentuk yang berbeda-beda. Percobaan dilakukan melakukan pengujian  aliran  dengan  menggunakan CFD .  Selain itu  di  lakukan  pengujian  eksperimental.  Dengan membandingkan hasil kedua metode analisa tersebut hasilnya adalah keduanya memiliki sedikit perbedaan diakibatkan  adanya  faktor  error  pada  software  yang digunakan  dan  masih  dalam  batas  normal.  Di samping itu hasil dari pada analisa draft tube tersebut menunjukan  hasil  efisiensi  yang  cukup  signifikan yakni  conical  draft  tube  dengan  sudut  diffuse  8 o memiliki  efisiensi  sebesar  84,4%,  sedang  sudut diffuse  3 o dengan  parameter  yang  sama  memiliki efisiensi  lebih  rendah,  yaitu  sebesar  77,4%.  Pada penelitian  di  simpulkan  bahwa  sebaiknya  conical draft tube di sarankan pada sudut 7-8 o lebih dari itu di khawatirkan  akan  mengakibatkan  terjadinya  back flow  dan  masalah-masalah  kavitasi.  Penelitian  ini hanya berfokus pada variasi bentuk draft tube secara umum dengan tidak memvarasikan tinggi draft tube.
Penelitian  mengenai  investigasi  jenis  draft  tube dengan simulasi aliran  menggunakan metode CFD di lakukan  oleh  Chaman  Pal,  et  al  (2018)  mencoba mensimulasikan  2  jenis  draft  tube  berbeda  yakni simple  elbow  draf  tube  (varian  1)  dan  mixed  elbow draft  tube  (varian  2).  pada  varian  1  bentuk  profil outlet  draft  tube  berbentuk  bulat  sedangkan  pada varian 2 berbentuk persegi. kedua nya di lakukan uji simulasi  berdasarkan  efisiensi  turbin  mengacu  pada tekanan dan kecepatan aliran air sehingga di dapatkan hasil  bahwa  draft  tube  varian  2  dengan  jenis  mixed elbow  draft  tube  memiliki  efisiensi  yang  lebih  baik jika  dibandingkan  dengan  jenis  simple  elbow  draft tube. Penelitian  ini  tidak  menjelaskan  bagaimana nilai efisiensi dari hasil simulasi diambil.
Riset  ini  adalah  untuk  menginvestigasi  bentuk draft tube terhadap aliran air pada sudu tingkat 1 dan tingkat 2 runner turbin bankie menggunakan software CFD  SolidWorks  Flow  Simulation  untuk  melihat konfigurasi  aliran  airnya    dan  untuk  mengetahui bagaimana  daya  yang  diperoleh  berdasarkan  gaya drag  pada  sudu  menjadi  maksimal  pada  beberapa variasi  ukuran  dan  bentuk  draft  tube  pada  turbin cross-flow  yang  dibuat  dengan  memvariasikan ketinggian  darft  tube  dan  sudut  diffuse  draft  tube berdasarkan  patokan  diameter  runner.  Sementara jarak   inlet  draft  tube  terhadap runner  dibuat  0,7  D 1 (Diameter Runner).
Bagian  utama  turbin  banki  dapat  di  lihat  seperti pada Gambar 1 dibawah ini :

## Gambar 1. Bagian Utama Turbin

## 2. Metode Penelitian
Penelitian  ini  dilaksanakan  di  Laboratorium Perancangan,  Teknik  Mesin,  Universitas  Negeri Jakarta  menggunakan  software    AutoCAD  dan SolidWork  Flow  Simulation.  Diagram  alir  dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 2. DiagramAlir

## Gambar 3. 2 Dimensi Turbin
Desain  geometri  2D  dibuat  di  Autocad, sedangkan  3D  di  Solidworks.  Simulasi  aliran dijalankan  dalam  simulasi  aliran  CFD  Solidworks. Model  Draft  Tube  dibuat  dalam  5  varian  dengan tinggi  dan  sudut  diffuse  yang  berbeda  seperti  pada gambar 3 dan gambar 4. Di bawah ini :
(a)
(b) MULAI SELESAI STUDI LITERATUR PEMODELAN 2D PEMODELAN 3D KONDISI BATAS SIMULASI HASIL : GAYA DRAG SUDU STAGE 1 & 2 , KECEPATAN DAN TEKANAN CONVERGENT HASIL DAN KESIMPULAN INPUT DIMENSI N Y
(c)
(d)
Gambar 4.  2D Varian (a) DT-1, (b) DT-2, (c) DT-3, (d)  DT-4, dan (e) DT-5 . Tabel 1. Ukuran Draft Tube Varian Draft Tube L/D 1 L (mm) Sudut Diffuse DT 1 1,2 240 26,57 DT 2 1,45 290 18,43 DT 3 1,7 340 14,04 DT 4 1,95 390 11,31 DT 5 2,2 440 9,46 Tabel 2. Parameter Desain dan Data Turbin Parameter Desain Data Kalkulasi Dimensi Desain Deskripsi α 1 16˚ 16˚ Sudut Masuk β 1 30˚ 30˚ Sudut Blade D 1 200 mm 200 mm Diameter Luar Runner n 18 pieces 18 pieces Jumlah Sudu Runner V 1 10.18 m / s 10.18 m / s Kecepatan Absolut Air H 5,5 m 5,5 m Head N 468.84 rpm 470 rpm Putaran Runner Q 2 m 3 / min 2 m 3 / min Debit Aliran Ds 25 mm 25 mm Diameter poros S 1 16 mm 16 mm Tebal Tembakan Nozzle Tabel 3. Kondisi Batas Saat Simulasi Item Besaran Tekanan Operasi 101325 Pa Gravitasi 9,81 m/s 2 (Sumbu Y-) Unit System SI Tipe Analisis Internal Kavitasi tidak Reference Axis Y Fluida Liquid = Water (H 2 O) Tipe Aliran Turbulen dan Laminer Roughness 0 Wall Thermal Condition Adiabatic Wall Temperatur 293,2 K Turbulence Model K-Ɛ Turbulence Intensity 2% Turbulence Length 0.003 m Turbulence Energy 1 J/Kg Turbulence Dissipation 1 W/Kg Rotation Tidak
Daya teotitis dihitung dengan rumus  :
Pth = m.g.H  = Q.ρ.g.H (1)
Pth  adalah  daya  teoritis  (Watt)  ,Q  debit  (m 3 /s),  ρ massa jenis (kg/m 3 ) dan  H tinggi jatuh (m).   Untuk memperoleh  daya  turbin  (Pd)  dalam  riset  ini menggunakan  pendekatan  gaya  drag  (Fd)  yang dikalikan  dengan  kecepatan  turbin  (U 1 ).  Nilai  gaya drag  diperoleh  dari  analisa  CFD  pada  sudu  runner tingkat satu dan  tingkat dua. Gaya drag dan dayanya dihitung dengan rumus berikut:
Fd = 1 / 2 ρ Cd A V 2 (2)
Pd =  Fd Cos α 1 . U 1 (3)
U 1 = 𝑉 1 cos 𝛼1
2 (4)
V1 = 𝐶 √2. 𝑔. 𝐻 (5)
Pendekatan  perhitungan  dengan  gaya  drag  pada permukan sudu dilakukan karena perhitungan dengan segitiga  kecepatan  tidak  dapat  memprediksi  gaya akibat dari bentuk sudu.
Efisiensi Turbin :
η = 𝑃𝑑 𝑃𝑡ℎ x 100 % (6)

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil Simulasi Kecapatan Aliran
(a) (b)
(c) (d)

## (e)
Gambar 5. Kontur Kecepatan (a) Varian DT-1,
(b) Varian DT-2, (c) Varian DT-3, (d) Varian DT- 4, dan (e) Varian DT-5.
Hasil Simulasi Tekanan Aliran
(a) (b)
(c)                                       (d)

## (e)
Gambar 6. Kontur Tekanan (a) Varian DT-1, (b) Varian DT-2, (c) Varian DT-3, (d) Varian DT-4, dan (e) Varian DT-5.
Hasil Simulasi Drag Force Tabel 4. Gaya Drag pada sudu tingkat pertama dan kedua. Variasi Draft Tube DT-1 DT-2 DT-3 DT-4 DT-5 Fd Sudu Tk 1 (N) 243,85  265,94  268,31  213,88  280,85 Fd Sudu Tk 2 (N) 80,34 58.67 59,63 52,34 52,44 Gaya Drag Total 324,19  324,61  328,08  266,23 333,3
Berikut merupakan hasil dari perhitungan berdasarkan  persamaan  (3)  terhadap  Drag  Force menjadi  Daya  Drag  pada  sudu  tingkat  pertama  dan kedua :
Tabel 5. Daya Drag pada sudu tingkat pertama
dan kedua. Variasi Bentuk Draft Tube Pd  (Watt) DT-1 1548,04 DT-2 1550,05 DT-3 1566,61 DT-4 1271,27 DT-5 1591,54 Efisiensi Berikut merupakan hasil dari perhitungan berdasarkan persamaan (2) Terhadap daya yang telah didapatkan dari drag force yang ada dalam tiap varian maka  Efisiensi  turbin  dapat  dilihat  pada  table  3, seperti dibawah ini :
Tabel 6. Efisiensi Turbin. Variasi Lengkung Nozel Pth (Watt) Efisiensi (%) DT-1 1798,5 86 DT-2 86,1 DT-3 87,1 DT-4 70,6 DT-5 88,4

## Pembahasan
Dari hasil simulasi pada aliran kecepatan dan tekanan Variasi DT-3 dengan tinggi draft tube sebesar 1,7  D 1 dari  posisi  nozzle  memiliki  pola  aliran  yang baik  karena  tidak  menabrak  poros.  Kelima  variasi memiliki  aliran  yang  seragam.  Dan  tekanan  aliran cenderung  lebih  tinggi  dengan  kontur  dominan berwarna  hijau  terang  pada  variasi  DT-3  dan  DT-4 sementara variasi DT-4 masih menabrak poros. Hasil daya yang diperoleh berdasarkan gaya drag pada sudu tingkat  pertama  dan  kedua  di  peroleh  daya  yang paling  tinggi  iyalah  pemasangan  draf  tube  pada variasi DT-5 yakni daya mencapai 1591,54 watt dan memiliki  efisiensi  sebesar  88,4%  walaupun  aliran masih menabrak poros.

## Kesimpulan
Dari  simulasi  di  atas  dapat  disimpulkan sebagai berikut:
1. Pemasangan  jenis  bentuk  suatu  draft  tube mempengaruhi  lintasan  aliran  air  dari  tingkat pertama dan kedua dari sudu runner dan apakah masih menabrak poros atau tidak
2. Perbedaan bentuk draft tube juga
mempengaruhi  kondisi  tekanan  dan  kecepatan aliran  pada  air  dari  tingkat  pertama  dan  kedua dari  sudu  runner  dan  apakah  masih  menabrak poros atau tidak
3. Dari  segi  efisiensi  Variasi  DT-3  dan  DT-5 merupakan  varian  terbaik  dengan  efisiensi berturut-turut adalah 87,1%  dan  88,4%. Varian DT-3  tidak menabrak poros,  sedangkan   aliran masih menabrak poros pada Varian DT-5.

## Daftar Pustaka:
Agarwal,  T.,  Chaudhary,  S.,  &  Verma,  S.    (2017):
Numerical  and  Experimental  Analysis  of  Draft Tubes  for  Francis  Turbine ,  Indian  Journal  of Science  and  Technology,  Vol  10(23),  DOI: 10.17485/ijst/2017/v10i23/115566
Chaman  Pal,  T  Gulshan,  Shashi,  S.,  Ali  Nisbat,  & Mundhra  Chandan.  (2018).  Experimental  and CFD Analysis of Mixed Elbow Draft Tube and Comparative  Analysis  with  Simple  Elbow Draft Tube. International Journal for Research in  Engineering  Application  and  Management ,
04 (03), 15–21.
Choi,  Y.-D.,  &  Son,  S.-W.  (2012).  Shape  Effect  of
Inlet  Nozzle  and  Draft  Tube  on  the Performance and Internal Flow  of Cross-Flow Hydro Turbine. Journal of the Korean Society of  Marine  Engineering , 36 (3),  351–357. https://doi.org/10.5916/jkosme.2012.36.3.351 Bansal,  R.K.  (2005):  A  Text  Book  of  Fluid
Mechanics and Hydraulic Machines : S.I. Units , New Delhi : Laxmi Publication Jeon, J. H., Byeon, S. S., & Kim, Y. J. (2013). Effects of draft tube on the hydraulic performance of a Francis  turbine. IOP  Conference  Series: Materials Science and Engineering , 52 (TOPIC 5). https://doi.org/10.1088/1757- 899X/52/5/052034 Menteri  Energi  Sumber  Daya  Mineral,  Petunjuk Teknis  Penggunaan  Dana  Alokasi  Khusus Bidang  Listrik  Perdesaan  Tahun  Anggaran 2011. Kementrian ESDM RI. 2011 Marsan, K. (2007). Koefisien lift dan drag pada sudu runner turbin aliran silang dengan menggunakan  british  profil  9c7/32,5  c50. SMARTek , 5 (3), 181–189. Palde, U.J. (1972). Influence of Draft Tube Shape on Surging Characteristic. ASCE National Engineering Meeting ; Atlanta, Georgia.
Patil, A., & Raghu, M. S. (2014). Optimum Design of Conical Draft Tube by Analysis of Flow Using
CFD Simulation. Ijltemas , III (Vii), 99–103. Reddy,  H.,  Seshadri,  V.,  &  Kothari,  D.  P.  (1996).
Effect of draft tube size on the performance of a  cross-flow  turbine. Energy  Sources , 18 (2),
143–149. https://doi.org/10.1080/00908319608908755 Subekti,  R.  A.  (2012).  Analisis  Aliran  Fluida
Dinamik  Pada  Draft  Tube  Turbin  Air. Puslit Tenaga Listrik dan Mekatronik – LIPI.
Suwignyo,  I.  M.  &  A.  M.  (2018). Desain  dan Pembuatan Turbin Gas . 90–96.
Tian,  X.,  Pan,  H.,  Hong,  S.,  &  Zheng,  Y.  (2015).
Improvement  of  hydro-turbine  draft  tube efficiency using vortex generator. Advances in Mechanical Engineering , 7 (7), 1–8. https://doi.org/10.1177/1687814015595339 White,  M.  F.  (2017).  Fluid  Mechanics  :  Seventh Audition,  New  York  : The  McGraw-Hill Companies, Inc.