## PENENTUAN DIMENSI SUDU TURBIN DAN SUDUT KEMIRINGAN POROS TURBIN PADA TURBIN ULIR ARCHIMEDES
Herman Budi Harja 1 , Halim Abdurrahim 2 , Sigit Yoewono 3 , Hendi Riyanto 4
1 Politeknik Manufaktur Negeri Bandung, 2 FTMD Institut Teknologi Bandung Jalan Kanayakan No.21 Dago Bandung E-mail : h_b_harja@yahoo.com

## Abstrak
Telah dilakukan penelitian penentuan dimensi sudu turbin dan sudut kemiringan poros turbin pada  turbin  ulir  Archimedes.    Penelitian  ini  melakukan  kajian  pada  beberapa  parameter  turbin  ulir yaitu penentuan dimensi sudu turbin dan sudut kemiringan poros turbin agar dihasilkan kinerja turbin optimum.  Penentuan  dimensi  sudu  turbin  ulir  mengikuti  formulasi  C. Rorres yang  memaksimumkan volume air di antara kisar sudu turbin ulir. Dimensi sudu turbin ulir untuk potensi daya fluida head 2 meter  dan  debit  20  hingga  40  liter/detik  yang  dihasilkan  memiliki  spesifikasi:  konstruksi  rotor memiliki 2 buah sudu ulir,  kisar ulir 413 mm, radius sudu luar ( R o ) 408 mm  dan radius sudu dalam ( R i )  109  mm.  Kemudian  dilakukan  perhitungan  panjang  lintasan  bentangan  ulir  agar  menghasilkan kisar ulir sebesar 413 mm. Panjang lintasan bentangan ulir dapat diperoleh dengan menggunakan dua cara  yaitu  perhitungan  persamaan  helix  atau  simulasi software gambar,  kedua  cara  ini  menghasilkan panjang  lintasan  ulir  sebesar  802  mm.  Penentuan  sudut  optimum  kemiringan  poros  turbin  dihitung berdasarkan  gaya  berat  dan  gaya  hidrostatis  yang  dihasilkan  volume  air  di  antara  2  sudu  ulir, perhitungan ini mendapatkan sudut optimum kemiringan poros adalah 32°.
Kata kunci : head rendah, turbin ulir, kinerja , sudu turbin dan sudut kemiringan

## Abstract
Research  has been  conducted  and the  determination of the dimensions of  turbine blades  on the turbine shaft tilt angle Archimedes screw turbine . This research coducted a study on several parameters to define optimum performance of screw turbine. it are the determination of the dimesions screw blade  and the optimum angle of shaft slope.
Determination  of  dimensions  screw    blade  was  designed  using  Chriss  Rorres  formulation  which maximizes the volume of water in screw turbin blade and made base from potential energy of water with  2  metres  head  and    20to  40  litres/second  of  rate flow.  It    consists  of 2  blades   having  413  mm pitch, 408 mm radius of external blade (R o ),  109 mm radius of internal blade (R i ) and 346 cm long of turbine  shaft.  The  length  of  screw  trajectory  can  be  obtained  by  using  two  methods,  equation  helix calculation and software simulation. Those methode produce the same result of 802mm.
Determination  of  the  optimum  angle  of  shaft  slofe  is  defined  by  the  water  weight  and  hydrostatis force  analysis. It is found out at 32 °.
Key Word : low head, screw turbine, performance, screw blade and slope shaft.

## PENDAHULUAN
Potensi  sumber  energi  air  pada head sangat  rendah  (<  3  meter)  yang  banyak terdapat  di  wilayah  Indonesia  saat  ini  belum banyak  dimanfaatkan  karena  terkendala  oleh ketersediaan teknologi yang mampu memanfaatkannya.  Oleh  karena  itu  diperlukan pengembangan teknologi yang dapat memanfaatkan  potensi  sumber  energi  tersebut. Turbin  ulir  merupakan  jenis  turbin  yang mampu bekerja pada head sangat rendah.
Dengan semakin berkurangnya sumber energi  fosil,  maka  salah  satu alternatif  sumber energi  yang  bisa  menggantikannya  adalah sumber  energi  terbarukan,  khususnya  sumber energi terbarukan yang teknologi pemanfaatannya  memerlukan  investasi  kecil. Pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH),  sistem  konversi  energi  angin (SKEA)  dan  pembangkit  listrik  tenaga  panas bumi  (PLTP)  adalah  beberapa  contoh  sistem konversi  energi  yang  memanfaatkan  sumber energi  terbarukan,  namun  tidak  semuanya memerlukan investasi kecil.
PLTMH  memanfaatkan  potensi  energi aliran  air  yang  memiliki head dan  debit tertentu  menjadi  energi  listrik.  Sampai  saat  ini banyak pemanfaatan air sebagai sumber energi listrik  hanya  pada  potensi  energi  air  dengan head tinggi  dan/atau  debit  besar,  padahal banyak  daerah  di  Indonesia  memiliki  potensi energi  aliran  air  sungai  dengan head sangat rendah (< 3 meter). Oleh karena itu, diperlukan pengembangan jenis turbin yang dapat memanfaatkan  potensi  energi  air  dengan head sangat  rendah.  Beberapa  jenis  turbin  air  yang dapat  bekerja  pada head rendah  adalah  kincir air, turbin kaplan dan turbin ulir.
Penelitian  ini  mengkhususkan  pada penentuan    dimensi  sudu  turbin.  Penentuan dimensi  dan  bentuk  sudu  turbin  ulir  akan mengacu pada formulasi Rorres . Pada dasarnya,  formulasi  pengoptimuman  dimensi ulir Archimedes yang  dilakukan  oleh  Chris Rorres  adalah  untuk  penggunaannya  sebagai pompa.  Sedangkan  perancangan  pembuatan sudu  ulir  akan  mengikuti  persamaan  helix  dan simulasi perangkat lunak gambar teknik.

## TINJAUAN PUSTAKA
Turbin  Ulir  Archimedes  merupakan teknologi  yang  sejak  zaman  kuno  telah ditemukan  dan  diterapkan  sebagai  pompa, dimana pada konstuksinya terdiri dari satu atau beberapa sudu berbentuk heliks yang terpasang pada  poros  dan  berfungsi  sebagai bucket bergerak  untuk  membawa  air  ke  atas. Kemudian seiring dengan kebutuhan pemanfaatan sumber potensi  energi air dengan head rendah,  penggunaan  ulir Archimedes diterapkan sebagai turbin air (1;2) .
Prinsip  kerja  turbin  ulir Achimedes ialah (lihat Gambar 1) :
 air dari ujung atas mengalir masuk ke ruang di antara kisar sudu ulir (bucket ) dan keluar dari ujung bawah;
 gaya  berat air  dan  beda  tekanan  hidrostatik dalam bucket di sepanjang rotor mendorong sudu  ulir  dan  memutar  rotor  pada sumbunya dan
 rotor  turbin  memutar  generator  listrik  yang disambungkan  dengan  ujung  atas  poros turbin ulir.
Gambar 1. Skematik turbin ulir (3) .
Oleh karena itu volume air dalam bucket harus dimaksimumkan  agar  menghasilkan  efisiensi pembangkitan daya tertinggi. Adapun keuntungan  turbin  ulir dibandingkan  dengan jenis turbin lain adalah sebagai berikut:
 Dapat  dioperasikan  pada  head  sangat rendah, hingga 1 meter;
 Dapat  dioperasikan  tanpa  saringan  dan tidak menganggu ekosistem sungai;
 Umur turbin lebih tahan lama terutama jika dioperasikan pada putaran rendah;
 Mudah  dalam  pengoperasian  dan  murah dalam perawatan;
 Memiliki  efisiensi  dan  kehandalan  yang tinggi (lihat Tabel 1);
 Mampu  bekerja  pada  rentang variasi  debit yang lebar (lihat Tabel 1 ) .
Pada  Tabel  1  ditunjukkan  perbandingan efisiensi turbin air jenis ulir Archimedes , turbin Kaplan  (aksial),  turbin  Francis  (sentrifugal) dan  turbin  Banki  ( cross  flow )  terhadap  tingkat rendaman  sudu  dalam  air.  Tabel  tersebut menunjukkan  bahwa  turbin  ulir Archimedes mengungguli  jenis  turbin  lain  untuk  seluruh kondisi  rendaman.  Efisiensi  25%  dicapai  pada tingkat  rendaman  10%  dan  87%  pada  tingkat rendaman 100%.
Tabel 1. Perbandingan efisiensi berbagai jenis turbin air terhadap tingkat rendaman (3) .
Daya Bangkitan Sumber Energi Air Daya  yang  bisa  dibangkitkan  dari  sumber energi air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (1) berikut (4) :
P = η ρ g H Q
(1)
Lambang  huruf P mewakili  potensi  daya dalam  satuan  Watt  ( W ), η menunjukkan efisiensi  konversi  energi  ditentukan  oleh  jenis turbin  yang  digunakan  untuk  memanfaatkan sumber energi air (0 < η < 1), ρ melambangkan massa  jenis  air  (1000  kg/m 3 ), g adalah percepatan  gravitasi  (9,81  m/s 2 )  dan Q adalah debit air (m 3 /s) serta H adalah head air (m).
Dimensi Turbin Ulir Geometri  sebuah  turbin  maupun  pompa  ulir Archimedes ditentukan  oleh  dimensi  luar  dan dimensi dalam turbin (lihat Gambar 2).
Gambar 2. Profil turbin ulir 2 sudu (5) .
Keterangan :
 R i : jari-jari dalam sudu ulir (0< R i < R o )
 R o : jari-jari luar sudu turbin  Λ : kisar ulir sudu turbin  (0 ≤ ᴧ ≤ 2π R o / K )  K : tan θ  θ : sudut kemiringan poros turbin
 β : sudut ulir (pada posisi R i )  α : Sudut ulir (pada posisi R o )  N : Jumlah sudu (1,2,…)
Dimensi luar turbin terdiri jari-jari terluar sudu ulir R o , kisar ulir ᴧ , dan sudut kemiringan poros θ .  Dimensi  luar  ditentukan  oleh  lokasi penempatan  ulir,  material  ulir  yang  akan digunakan  dan  debit  air.  Sudut  kemiringan poros θ turbin umumnya antara 30° sampai 60°
.
Sedangkan  dimensi  bagian  dalam  turbin meliputi jari-jari dalam R i , jumlah sudu N , dan jarak  antar  sudu  bila N >  1.  Dimensi  dalam turbin  bebas  dipilih,  sehingga  pengoptimuman turbin  ulir  dapat  dilakukan  dengan  mengubah dan memvariasikannya.
Panjang poros ulir L dapat dihitung  mengingat hubungan berikut :
(2) Rorres menawarkan formulasi untuk menentukan  dimensi-dimensi  ulir Archimedes berdasarkan perhitungan pemaksimuman volume  air  di  antara  kisar  sudu,  volume maksimum tersebut dinyatakan dalam persamaan (3).
(3)
Pada  volume  maksimum  tersebut,  diameter dalam dapat diperoleh dari persamaan (4).
(4)
Kisar  ulir  pada  volume  maksimum  dinyatakan oleh persamaan (5)
(5) Nisbah  volume  optimum ,  jari-jari  optimum dan  nisbah  kisar  optimum N ditampilkan  pada Tabel  2.  Nisbah  volume,  nisbah  jari-jari  dan nisbah kisar didefinisikan pada persamaan (6),
(7), (8) berikut ini :
(6)
(7)
(8)
Jumlah  kisar m yang  diperlukan  pada  panjang poros  turbin  ulir L untuk  panjang  kisar optimum dapat  dihitung  dengan  persamaan (9).
(9)
Persamaan  (2)  s.d  (9)  bersama  Tabel  2 digunakan untuk menentukan dimensi rancangan  turbin  ulir
Archimedes dalam kegiatan penelitian ini. Putaran  turbin  ulir  maksimum
(rpm)
dan  hubungan  antara  dimensi  kisar Λ dan  jari- jari  luar  sudu untuk  berbagai  sudut kemiringan  turbin  dapat  dinyatakan  dalam persamaan (10) dan (11) (6) .
(10)
(11)
Tabel 2. Parameter Ulir Archimedes Optimum
menurut Chriss Rorres (5) . Perancangan Pembuatan Sudu Ulir Perhitungan  panjang  lintasan  bentangan  sudu ulir  dapat  dilakukan  melalui  2  cara  yaitu dengan  perhitungan  persamaan  helix ,
persamaan  (12),  atau  didapat  dari  hasil simulasi  perangkat  lunak  gambar  teknik  tiga dimensi (Solidwork TM ).
(12)
Jumlah helix dinyatakan dalam lambang pada persamaan (12).
Diameter  bakalan  sudu  D  dapat  dihitung berdasarkan  pada  panjang  lintasan  bentangan
, yaitu :
(13)
Sesuai  dengan  prinsip  kerja  turbin  ulir Archimedes bahwa  berputarnya  rotor  turbin ulir  adalah  disebabkan  oleh  gaya  berat  dan gaya hidrostatis dari volume air yang berada di antara  dua  sudu  sepanjang  rotor    turbin  ulir. Oleh  karena  itu pendekatan  perhitungan  torsi yang  dihasilkan  poros  turbin  ulir  dikaji  dari
gaya  berat  dan  gaya  hidrostatis  fluida  yang berada di antara dua sudu (7;8) .

## Perhitungan Gaya Berat
Gambar 3. Skema perhitungan torsi akibat gaya berat.
Perhitungan gaya berat air dengan volume air pada bucket dapat dihitung menggunakan persamaan (14):
(14)
Dan  gaya  berat  arah  aksial  (sejajar  sumbu rotor)  dapat  dihitung  menggunakan  persamaan (15) :
(15)
Sehingga gaya pada poros dihitung dari gaya yang terjadi pada sudut ulir dengan sudut ϒ . ϒ = (α+β)/2 (16)
(17)
Torsi  dari  gaya  berat  (seperti  diperlihatkan pada  Gambar  3)  merupakan  perkalian  gaya tangensial  pada  sudu  akibat  gaya  berat  dari volume  air  di bucket dengan  jarak  titik  berat volume bucket tersebut terhadap sumbu putar.
Perhitungan Gaya Hidrostatis Perbedaan  gaya  hidrostatis  pada  sudu  turbin ulir  (seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  4) terjadi  karena  adanya  perbedaan head air antara head air  di  atas  sudu  ( head  upper ) dengan head air  di  bawah  sudu  ( head  down ). Pengurangan  besar  gaya  hidrostatis  di  atas kisar  dengan  gaya  hidrostatis  di  bawah  kisar merupakan  gaya  dan  menjadi  torsi  yang menyebabkan rotor berputar.
Gambar 4 . Skema pendekatan gaya hidrostatis pada turbin ulir (a)Pandangan samping (b)Pandangan atas, (c) Gaya hidrostatik pada sudu (8)
Perhitungan  gaya  hidrostatis  pada  turbin  ulir dapat  menggunakan  persamaan  (18)  dan  (19) (8) :
(18)    Dimana
(19)
Sehingga gaya hidrostatis fluida adalah:
(20)
Gaya tangensial hidrostatis fluida (F hyd t ) :
(21)

## METODE PENELITIAN
Penentuan dimensi sudu turbin ulir Archimedes dan sudut kemiringan poros turbin dilakukan  dengan  urutan  langkah-langkah kegiatan:
 survei potensi sumber energi air yang cocok untuk  dimanfaatkan  menggunakan  turbin ulir;
 mengukur head dan debit sumber energi air yang ditemukan;
θ
 menghitung  daya  yang  bisa  dihasilkan  dari sumber energi air bersangkutan;
 menentukan  dimensi  sudu  ulir  berdasarkan pada formulasi Rorres (5) ;  perhitungan  bentangan  helix  untuk  sudu turbin ulir dan simulasi bentangan menggunakan  perangkat  lunak  gambar teknik Solidwork™;
 Penentuan  sudut  kemiringan  poros  turbin ulir yang optimum
menggunakan perhitungan  torsi  akibat  gaya  berat  dan gaya hidrostatis fluida yang ada di antara 2 sudu.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Turbin  ulir  yang  dirancang  berdasarkan potensi  sumber  energi  air  yang  tersedia  (lihat Gambar 5), adalah sebagai berikut:
 Head efektif     : 2 meter
 Debit air          : 20 – 40 liter /detik
Gambar 5. Potensi sumber energi air yang akan dimanfaatkan.
Dengan  demikian,  mengacu  pada  persamaan (1),  daya  terbesar  yang  bisa  dibangkitkan mencapai  392  W ≤ P ≤  784W.  Pada kenyataannya,  daya  yang  dibangkitkan  akan lebih  rendah  dari  pada  daya  di  atas  karena efisiensi  turbin  ulir  dan  efisiensi  generator listrik .
Sudut  kemiringan  turbin  ulir θ yang  akan dibuat ditetapkan sebesar 30°, maka pada head 2  m,  panjang  poros  turbin  ulir L yang dibutuhkan  adalah  3,46  m,  yaitu  dihitung  dari persamaan    (2).  Diameter  dalam  turbin  ulir pada  perancangan  dipilih  sebesar  0,01095  m, yaitu diameter luar pipa 8 inci yang digunakan sebagai poros turbin.
Gambar 6. Isometrik rancangan turbin ulir Archimedes .
Dalam  penentuan  dimensi  sudu  turbin  ulir  ini dipilih  jumlah  sudu  ulir N sebanyak  2.
Mengacu pada tabel 2 untuk N =2 dipilih :  = 0,5369;  = 0,1863 dan  = 0,2747 Maka didapatkan:  Jari-jari luar = 0,204 m  Panjang kisar Λ = 0,413m  m 3 ;  Jumlah kisar m = 8,37 ; dan
 V T pada seluruh sudu = 0,124 m 3 .
Panjang  lintasan  bentangan  sudu  ulir  dihitung menggunakan  persamaan  (12)  untuk  helix ( ,  yaitu (lihat Gambar 7). Kemudian perangkat lunak gambar teknik (lihat Gambar 8) menghasilkan perhitungan  panjang  lintasan  bentangan  sudu sebesar  0,802  m,  sama  dengan  angka yang diperoleh dari persamaan (12).
Gambar 7. Panjang lintasan bentangan satu kisar sudu ulir.
Dari  hasil  perhitungan  panjang  lintasan bentangan sudu di atas, maka diameter bakalan sudu  dapat  dihitung  melalui  persamaan  (13). Hasilnya = 0,255 m (lihat Gambar 9).
Gambar 8. Panjang lintasan bentangan satu kisar sudu ulir hasil SolidWork TM .
Gambar 9. Dimensi bakalan satu kisar sudu turbin.
Hasil  perhitungan  torsi  akibat  gaya  berat  dan gaya  hidrostatis  dengan  volume bucket maksimum  ditunjukkan  pada  gambar  10 dimana  sudut  optimum  kemiringan  poros  ( θ ) adalah pada sudut 32° yang dapat menghasilkan torsi terbesar.
Gambar 10. Grafik pengaruh sudut (θ) kemiringan poros terhadap torsi akibat gaya berat dan gaya hidrostatis.
Besar  sudut  kemiringan  poros  berpengaruh terhadap  banyaknya  volume  air  pada  ruang  di antara  dua  sudu  ( bucke t).  Pada  sudut  di  atas 32°,  banyaknya  air  pada bucket akan  semakin berkurang  karena  sebagian  volume  air  akan mengalir  pada  bagian  atas  sudu  ulir  dan  tidak mnghasilkan gaya pada poros.
Pada  Gambar  11,12  dan  13  diperlihatkan bentuk air pada volume bucket pada saat sudut kemiringan poros 32° dan 68°, dimana volume air  pada bucket dengan  sudut θ =68°  lebih sedikit  dari  pada  volume  air  pada bucket dengan sudut θ =32°.
Gambar 11 . Bentuk air pada volume bucket sebesar 0,120 m 3 sudut ( θ ) kemiringan poros 32°.
Gambar 12. Bentuk air pada volume bucket sebesar 0,110 m 3 dengan sudut θ kemiringan poros 34°.
Gambar 13 . Bentuk air pada volume bucket sebesar 0,0154 m 3 sudut ( θ ) kemiringan poros 68°.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  penelitian  penentuan  dimensi  sudu  turbin dan  sudut  kemiringan  poros  turbin  ulir Archimedes ini  maka  dapat  disimpulkan sebagai berikut:
1. Penentuan dimensi
turbin ulir menggunakan  formulasi Rorres dilakukan untuk  mengoptimumkan  volume bucket pada sudu turbin.
2. Penentuan  bakalan  bentangan  sudu  turbin dapat  menggunakan  persamaan  helix  atau informasi perangkat lunak gambar teknik.
3. Kinerja  turbin  ulir  telah  diperoleh  dari penelitian  ini,  dimana  hasil  perhitungan gaya  berat  dan  gaya  hidrostatis  pada volume bucket maksimum  diperoleh  sudut optimum pada sudut θ=32°.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada POLMAN  Bandung  yang  telah  memfasilitasi penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Havendri,  A.  dan  Arnif,  I.,  2010. Kaji Eksperimental  Penentuan  Sudut  Ulir
Optimum  pada  Turbin  Ulir  untuk  Data
Perancangan  Turbin  Ulir  pada  PLTMH dengan  Head  Rendah ,  Prosiding  SNTM IX,  Seminar  Nasional  Tahunan  Teknik Mesin  ke-19,  13-15  Oktobar  2010,
Palembang, Indonesia.
2. Hellmann,  H.,  2003. Gutachten  zur Wirkungsgradbestimmung einer Wasserkraftschnecke  Fabrikat  Ritz-Atro [Report  on  determination  of  hydraulic screw  efficiency manufactured  by  Ritz- Atro  Ltd.], Fachbereich  Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Technical University, Kaiserslautern, Germany. 3. http://www.gess.cz/en/small-water-plant- archimedean-screw-turbine.html,  diakses tanggal 2 Juli 2011.
4. The British hydropower association, 2005. A  guide  to  UK  mini-hydro  developments , The British hydropower association.
5. Rorres ,  C.,  2000. The  Turn  of  the Screw  :Optimal  design  of  an  archimedes , Journal  of  Hydraulic  Engineering,  126(1), pp.72-80.
6. Nagel,  G.,  1968. Archimedean  Screw
Pump  Handbook ,  Prepared  for  Ritz-Atro
Pumpwerksbau GMBH Roding, Nu¨rnberg, Germany. 7. Nagel, G., Radlik, K., 1988.
Wasserförderschnecken [Water lifting screws]  Bauverlag ,  Wiesbaden/Berlin, German.
8. Muller,  G.,  2009 .  Simplified  Theori  of Archimedean  Screw ,  Journal  of  Hydraulic Engineering, Vol.47, No.5.