## PENENTUAN JENIS DRAFT TUBE BERDASARKAN NILAI HEAD RECOVERY
DAN KINERJA TURBIN HYDROCOIL MENGGUNAKAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Fahmi Hidayat 1 , Alief Avicenna Luthfie 1* , Agung Wahyudi Biantoro 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jakarta Jl. Meruya Selatan No. 1, Kembangan, Jakarta Barat 11650, Indonesia
* corresponding author E-mail*: alief.avicenna@mercubuana.ac.id
Abstrak — Sebuah  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Mikrohidro  (PLTMH)  menggunakan  turbin hydrocoil di Desa  Sukajaya  Lembang,  Bandung,  Jawa  Barat,  telah  berhasil  dirancang.  Namun,  kecepatan  aliran air setelah keluar dari turbin hydrocoil masih relatif tinggi, sehingga masih banyak energi aliran  yang terbuang sebelum dapat dikonversi. Sebagaimana turbin reaksi  lainnya, turbin hydrocoil memerlukan draft  tube agar  dapat  memaksimalkan  proses  konversi  energinya.  Dengan  demikian,  tujuan  dari penelitian  ini  adalah  menentukan  jenis draft  tube berdasarkan  nilai head  recovery dan  kinerja  turbin hydrocoil untuk sistem PLTMH yang telah dirancang. Proses penentuan ini melibatkan 3 tahap, yaitu: 1)  evaluasi  kinerja  turbin hydrocoil yang  telah  dipasangi  3  jenis draft  tube ,  yaitu conical  straight , curved  elbow ,  dan simple  elbow ,  menggunakan  metode Computational  Fluid  Dynamics (CFD),  2) perhitungan head  recovery ketiga  jenis draft  tube ,  dan  3)  penentuan  jenis draft  tube  terbaik berdasarkan  nilai head  recovery dan  kinerja  turbin hydrocoil .  Pada  tahap  satu,  tipe  analisis  yang digunakan adalah steady state dengan model turbulensi SST k- ω , untuk menangkap turbulensi di pipa penstock dan  di  dekat blade turbin.  Hasil  yang  didapatkan  adalah  efisiensi  turbin hydrocoil tertinggi dengan ketiga jenis draft tube terpasang, berada di kecepatan putar
. Efisiensi tertinggi
untuk  turbin  hydrocoil  dengan draft  tube  conical  straight , curved  elbow ,  dan simple  elbow masing- masing  adalah  90,48%,  90,18%,  dan  91,26%.  Sementara  itu, head  recovery pada  kecepatan  putar untuk draft  tube  conical  straight , curved  elbow ,  dan simple  elbow masing-masing adalah  1,627  m;  1,866  m;  dan  4,097  m.  Dengan  demikian, draft  tube  simple  elbow adalah  yang terbaik untuk sistem PLTMH ini karena memiliki nilai head recovery dan efisiensi tertinggi.
Kata  kunci :  Turbin  Hydrocoil,  Draft  tube,  Head  recovery,  Efisiensi,  Computational  Fluid  Dynamics (CFD)
Abstract — A  Microhydro  Power  Plant  (MHP)  with  hydrocoil  turbine  in  Sukajaya  Lembang  Village, Bandung,  West  Java,  has  been  successfully  designed.  However,  the  velocity  of  the  water  flow  after exiting the hydrocoil turbine is still relatively high, so there is still a lot of wasted flow energy before it can  be  converted.  Like  other  reaction  turbines,  the  hydrocoil  turbine  requires  a  draft  tube  in  order  to maximize its energy conversion process. Thus, the purpose of this research is to determine the type of draft  tube  based  on  the  head  recovery  value  and  performance  of  the  hydrocoil  turbine  for  the  MHP system.  This  determination  process  involves  3  stages:  1)  evaluation  of  the  performance  of  the hydrocoil turbine that has been installed with three types of draft tubes, namely conical straight, curved elbow, and simple elbow, by Computational Fluid Dynamics (CFD), 2) calculation of the head recovery of  the  three  types  of  draft  tubes,  and  3)  determination  of  the  best  draft  tube  based  on  the  head recovery  value  and  performance  of  the  hydrocoil  turbine.  In  stage  one,  the  type  of  analysis  used  is steady state with the SST k- ω turbulence model, to capture turbulence in the penstock pipe and near the turbine blades. As the  results, the highest hydrocoil  turbine  efficiency with all three types of draft tubes installed, is at a rotational speed of N=1100 rpm. The highest efficiency for the hydrocoil turbine with  conical  straight,  curved  elbow,  and  simple  elbow  draft  tubes  are  90.48%,  90.18%,  and  91.26%, respectively.  Meanwhile,  the  head  recovery  at  rotational  speed  N=1100  rpm  for  conical  straight, curved elbow, and simple  elbow  draft tubes are  1.627 m, 1.866 m, and 4.097  m, respectively. Thus, the  simple  elbow  draft  tube  is  the  best  to  use  in  this  MHP  system  because  it  has  the  highest  head recovery and efficiency values.
Keywords :  Hydrocoil  Turbine,  Draft  Tube, Head  recovery,  Efficiency,  Computational  Fluid  Dynamics (CFD)

## 1. PENDAHULUAN
Indonesia  memiliki  potensi  energi  terbarukan yang  tinggi.  Berdasarkan  data  dari  Kementerian
Energi  dan  Sumber  Daya  Mineral  (KESDM), Dengan  melihat  potensi  energi  terbarukan  yang tersebar,  penyediaan  energi  dalam  negeri
terutama  di  daerah-daerah  yang  belum  memiliki akses  terhadap  energi  bisa  dipenuhi  dengan potensi-potensi  lokal  [1].  Potensi  energi  air  di Indonesia  diperkirakan  mencapai  94.449  MW. Potensi  yang  dapat  dimanfaatkan  sebagai  PLTA 75.091 MW sementara yang dapat dimanfaatkan sebagai  PLTM  dan  PLTMH  mencapai  19.358 MW  [2].  Salah  satu  pemanfaatan  energi terbarukan di pedesaan adalah dengan menggunakan sistem Pembangkit  Listrik Tenaga Mikrohidro  (PLTMH).  Sistem  PLTMH  akan memanfaatkan energi aliran air yang berasal dari energi potensial air dari hulu  atau penampungan berupa danau atau bendungan. Namun, beberapa  sistem  PLTMH  tidak  dapat  bertahan lama  karena  ketersediaan head air  yang  rendah [3].
Program  Studi  Teknik  Mesin  Universitas Mercu  Buana  telah  berhasil  merancang  sistem PLTMH  di  Desa  Sukajaya  Lembang,  Bandung, Jawa Barat. Turbin yang digunakan dalam sistem PLTMH  tersebut  adalah  turbin hydrocoil ,  Turbin hydrocoil memiliki  kumparan  berputar  tunggal yang unik dengan desain bentuk pita melengkung  yang  mengubah  energi  aliran  air yang mengalir menjadi energi mekanik rotasi  [4]. Namun,  kecepatan  aliran  air  setelah  keluar  dari turbin  hydrocoil  masih  relatif  tinggi,  sehingga masih  banyak  energi  aliran  yang  terbuang sebelum dapat dikonversi.
Sebagaimana  turbin  reaksi  lainnya,  turbin hydrocoil  memerlukan draft  tube agar  dapat memaksimalkan proses konversi energinya. Draft tube adalah komponen tambahan yang dipasang di  sisi  keluaran  turbin  yang  akan  memperlambat aliran  air  setelah  keluar  dari  turbin,  sehingga akan  mengubah  kelebihan  energi  aliran  air menjadi  tekanan  statis  untuk  meningkatkan kinerja  turbin  [5],  [6].  Analisis  kinerja  turbin  yang dipasangi draft  tube telah  banyak  dilakukan, misalnya saja oleh Shojaeefard, et al. [7]. Dalam penelitian  ini  telah  dibahas  optimasi  bentuk draft tube yang  digunakan  pada  turbin  mikrohidro  tipe Agnew.  Hasilnya  memprediksi  bahwa  pusaran tinggi  aliran  masuk  secara  drastis  mengurangi kinerja draft tube. Selain  itu, Baya, et al. [8] juga melakukan  analisis  terhadap  kinerja  turbin  air yang  telah  dipasangi draft  tube .  Hasilnya menunjukkan pemecahan masalah yang dihasilkan  oleh  tali  pusaran  di  bagian  turbin Francis  dengan  kece-patan  spesifik  sedang. Namun,  analisis  secara  eksperimental  ini  akan menghabiskan banyak
biaya, karena membutuhkan proses manufaktur draft tube yang belum  tentu  dapat  menghasilkan  kinerja  turbin terbaik.
Dalam  rangka  penghematan  biaya  ketika menganalisis  kinerja  turbin  air  yang  telah dipasangi draft  tube ,  maka  banyak  peneliti  yang menggunakan metode simulasi numeris, misalnya  saja  analisis  yang  telah  dilakukan  oleh Agarwal  [9]  menggunakan Computational  Fluid
Dynamics (CFD). Zona tekanan tinggi diidentifikasi  dalam draft tube kerucut  dan  siku, meskipun,  tekanan  keseluruhan  kurang  dari tekanan  atmosfer.  Selain  itu,  Luthfie  [10]  juga melakukan  analisis  terhadap  kinerja  turbin  air yang telah dipasangi draft tube pada sebuah pipa siphon.  Hasilnya  menunjukkan  bahwa  sudut kemiringan  pipa  siphon  45 mem-berikan  kinerja turbin  hydrocoil  yang  lebih  baik  dibandingkan sudut  kemiringan  pipa  siphon  90 Hal  ini berkaitan dengan mengecilnya perbedaan kecepatan  tangensial  antara  sisi inlet dan  sisi outlet turbin.  Namun,  analisis-analisis  tersebut hanya  berpusat  pada  kinerja  turbin  yang digunakan  dan  belum  menyertakan  perhitungan head recovery dari draft tube yang dipasang.
Dengan  demikian,  penelitian  ini  bertujuan untuk  menentukan  jenis draft  tube berdasarkan nilai head  recovery dan  kinerja  turbin  hydrocoil guna  memaksimalkan  proses  konversi  energi pada  turbin  hydrocoil  di  sistem  PLTMH  yang telah dirancang. Proses penentuan ini melibatkan 3 tahap, yaitu: 1) evaluasi kinerja turbin hydrocoil yang  telah  dipasangi  3  jenis draft  tube ,  yaitu conical straight , curved elbow , dan simple elbow , menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD),  2)  perhitungan head  recovery ketiga  jenis draft  tube ,  dan  3)  penentuan  jenis draft  tube  terbaik berdasarkan  nilai head recovery dan kinerja turbin hydrocoil.

## 2. METODOLOGI

## 2.1. Gambaran Umum
Prinsip kerja PLTMH adalah memanfaatkan beda tinggi  dan  jumlah  air  per  detik  yang  ada  pada aliran  sungai.  Air  yang  mengalir  melalui inlet akan diteruskan oleh penstock menuju turbin dan akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. [11]. Secara garis besar,  sistem  PLTMH  yang  telah  dirancang  oleh Program  Studi  Teknik  Mesin  Universitas  Mercu Buana untuk Desa Sukajaya Lembang, Bandung, Jawa  Barat,  ditunjukkan  oleh  Gambar  1.  Pada penelitian ini, generator listrik diabaikan, sehingga  perhitungan  kinerja  hanya  difokuskan pada kinerja turbin hydrocoil.
Gambar 1. Desain turbin hydrocoil dengan tambahan draft tube
Keterangan Gambar 1: 1.  Inlet 2. Penstock
3.  Turbin Hydrocoil 4.  Generator 5. Draft Tube 6.  Outlet
Gambar  2  menunjukkan  detail  langkah-langkah pada  penelitian  ini.  Pada  tahap  satu,  evaluasi kinerja turbin hydrocoil dilakukan dengan menerapkan  metode  CFD,  yang  diawali  dari pembuatan  domain  komputasi 3D rancangan
PLTMH  dan  tiga  jenis  variasi draft  tube . Kemudian, proses perhitungan numeris dilakukan dengan menerapkan governing equations berupa persamaan  kontinuitas  dan  momentum  (Navier- Stokes).  Setelah  itu,  dilanjutkan  dengan  proses evaluasi  kinerja  turbin  hydrocoil  dan  didapatkan nilai  torsi ( ) ,  daya  turbin ( ) ,  dan  nilai  efisiensi ( ) .  Proses  evaluasi  dikatakan  baik  jika  tren grafik  kinerja  telah  sesuai  dengan  tren  kinerja turbin  air  pada  umumnya.  Lebih  jauh  lagi,  data hasil  perhitungan  numeris  digunakan  untuk perhitungan head recovery ( ) pada tahap dua. Kemudian,  baik  data  kinerja  turbin  hydrocoil maupun head  recovery dari  tiga  variasi draft tube ,  digunakan  sebagai  bahan  pertimbangan untuk  menentukan  jenis draft  tube terbaik  untuk sistem PLTMH ini.

## 2.2. Pemodelan Fisik
Pemodelan  fisik  pada  penelitian  ini  adalah pembuatan  domain  komputasi  3D  berdasarkan rancangan  PLTMH  dan  tiga  jenis  variasi draft tube ,  yaitu conical  straight , curved  elbow ,  dan simple  elbow [12].  Adapun  ketiga  jenis  variasi draft  tube setelah  dipasangkan  kepada  turbin hydrocoil  akan  tampak  seperti  Gambar  3. Gambar 4 menunjukkan contoh domain komputasi  3D  dari  sistem  PLTMH  yang  telah dipasangi draft tube jenis curved elbow . Tampak pada  gambar  tersebut  bahwa  ada  dua  domain yang didefinisikan sebagai domain stationary dan domain rotating [13].  Kemudian,  Gambar  5 menunjuk-kan  hasil mesh yang  terbentuk. Sementara  itu,  Tabel  1  dan  2 menunjukkan  data statistik dan kualitas dari mesh tersebut.
Gambar 2. Langkah kerja penelitian
(a) (b) (c)
Gambar 3. Turbin hydrocoil dengan tiga variasi draft tube (a) conical straight , (b) curved elbow , dan (c) simple elbow
Gambar 4. Domain komputasi 3D dari turbin hydrocoil yang telah dipasangi draft tube
Gambar 5. Hasil mesh pada domain komputasi 3D
Domain Stationary Domain Stationary Domain Rotating
Tabel 1. Data Statistik Mesh Statistic Draft Tube Conical Straight Draft Tube Curved Elbow Draft Tube Simple Elbow Element 476.414  490.948  473.427 Nodes 125.347  131.683  138.005 Tabel 2. Data Kualitas Mesh Quality Draft Tube Conical Straight Draft Tube Curved Elbow Draft Tube Simple Elbow Minimum 1,6342e- 004 6,1543e- 005 1,1213e- 005 Maximum 0,99549 0,91684 0,95202 Average 0,25173 0,25014 0,25388

## 2.3. Pemodelan Matematik
Setelah  pemodelan  fisik  selesai,  selanjutnya adalah  pemodelan  matematik.  Pemodelan mate-matik  ini  merupakan  bagian  dari setup pada  Gambar  2.  Pada  pemodelan  matematik ini,  diawali  dengan  penentuan governing equations berupa  persamaan  kontinuitas  dan momentum  (Navier-Stokes)  [14]. Adapun persamaan-persamaan tersebut adalah:
(1) (  ) (     ( ̅̅̅̅̅)) (2a) ( ) (     ( ̅̅̅̅̅̅̅)) [( )   (    )] (2b)
di  mana adalah  densitas  air, adalah  kece- patan  absolut  aliran  air, adalah  tekanan statis  air, adalah  viskositas  dinamik  air  di temperatur 20 o C, adalah percepatan gravitasi, adalah  kecepatan  relatif  yang muncul  akibat  putaran  domain, adalah fluktuasi kecepatan absolut air akibat turbulensi, adalah fluktuasi kecepatan relatif akibat  turbulensi,  dan adalah  kecepatan putar  dari  domain.  Pada  penelitian  ini,  nilai kecepatan  putar divariasikan  mulai  dari  350
rpm hingga 1250 rpm.
Suku  terakhir  di  ruas  kanan  pada Persamaan
2a, yaitu (     ( ̅̅̅̅̅)) , menunjukkan tegangan Reynolds yang muncul akibat  aliran  turbulensi  di  dalam  domain komputasi.  Penyelesaian  tegangan  Reynolds ini  membutuhkan  sebuah  model  turbulensi. Pada  penelitian  ini,  model  turbulensi  yang dipilih  adalah shear  stress  transport k-omega (SST  k- ω).  Selain  itu,  suku  terakhir  pada
Persamaan 2b, (  [ ]) ,
menunjuk-kan  gaya-gaya  per  satuan  volume terjadi akibat putaran domain.
Ketiga  persamaan  tersebut,  Persamaan  1 –  2b,  diselesaikan  dengan  memasukkan  nilai kondisi  batas.  Sebagaimana  tampak  pada Gambar 1 dan 2, kondisi batas yang dimaksud adalah inlet dan outlet [10].  Tekanan  total  di sisi inlet dapat dihitung menggunakan persamaan:
(3) di  mana adalah  beda  ketinggian  antara inlet dan  sumbu  putar  turbin  dan adalah kecepatan rata-rata aliran  air ketika memasuki inlet .  Pada  penelitian  ini,  nilai ditentukan sebesar 0,4 m sesuai dengan kondisi terjunan sungai.  Lalu,  nilai
dapat  dihitung menggunakan  persa-maan  Manning  [15], sebagai berikut:
(4)
di  mana adalah  jari-jari  hidrolik  aliran sungai, adalah  kemiringan  aliran  sungai, adalah  konstanta  tak  berdimensi  yang  bernilai 1  jika  persamaan  tersebut  dihitung  dalam satuan  SI,  dan adalah  koefisien  Manning [15].  Berdasarkan  pengamatan,  kemiringan sungai adalah  0,05  m  dan  koefisien Manningnya bernilai 0,035.
Adapun  laju  alir  massa  di  sisi outlet dapat dihitung menggunakan persamaan:
̇ (5)
di  mana adalah  luas  penampang.  Meskipun laju  alir  massa  ini  digunakan  sebagai  kondisi batas outlet ,  tetapi  luas  penampang  yang dimaksud  adalah  luas  penampang  sisi inlet , karena  laju  alir  massa  diasumsikan  konstan dari inlet sampai outlet [15].  Tabel  3 menunjukkan  rangkuman  hal-hal  yang  diatur pada  tahap setup berdasarkan  pemodelan matematik dan pengaturan lain yang terkait.
Tabel  3. Rangkuman setup pemodelan matematik Option Setup Tipe analisis Steady State Tekanan referensi Model turbulensi SST k- ω Tekanan total inlet Laju alir massa outlet Machine Type Axial Turbine Sumbu rotasi Sumbu z Interface model Frozen Rotor
Option Setup Target residual 1e-05 Iterasi 10.000 2.4. Perhitungan kinerja dan head recovery
Pengambilan  data  hasil  perhitungan  numeris berupa  nilai  kecepatan,  tekanan,  dan  torsi untuk  setiap  jenis draft  tube dan  variasi kecepatan  putar.  Data  torsi  akan  digunakan untuk menghitung daya turbin yang dihasilkan, sementara  data  kecepatan  dan  tekanan  akan digunakan  untuk  menghitung head  recovery . Selanjutnya,  nilai  daya  turbin  ini  akan digunakan  untuk  menghitung  efisiensi  turbin. Nilai-nilai torsi, daya turbin, dan efisiensi turbin menunjukkan kinerja turbin yang akan dianalisis  pada  penelitian  ini.  Kemudian,  nilai- nilai head  recovery ,  torsi,  daya  turbin,  dan efisiensi  turbin  untuk  setiap  jenis draft  tube diplot  ke  dalam  grafik  untuk  dibandingkan. Perhitungan  yang  dilakukan  adalah  sebagai berikut:
a.  Daya Potensial Air Daya  potensial  air  adalah  daya  yang dihasilkan  oleh  air  yang  jatuh  pada head tertentu  dengan  debit  dan  dapat  dihitung sebagai,
(6)
dimana adalah debit air di sisi inlet yang dapat dihitung sebagai kecepatan air inlet , ,  dikali  dengan  luas  penampang  sisi inlet [16].
b.  Daya Turbin Besar  daya  turbin  yang  dihasilkan  akibat adanya  konversi  energi  di  dalam  turbin, dapat dihitung sebagai,
(7)
di  mana adalah  torsi  turbin  hydrocoil yang  didapatkan  dari  hasil  perhitungan numeris.  Nilai  torsi  ini  akan  bersesuaian dengan  nilai  kecepatan  putar yang divariasikan [17].
c.  Efisiensi Turbin Efisiensi  turbin  adalah  daya  guna  turbin dilihat  dari  perbandingan  daya  turbin dengan  daya  potensial  air  [18].  Dapat dihitung sebagai,
(8)

## d.  Head Recovery
Draft  Tube berfungsi  sebagai  alat  untuk memulihkan  tekanan  atau  memulihkan head ( pressure  recovery/head  recovery ) [19].  Per-samaan  yang  dapat  digunakan untuk menghitung head recovery adalah, ( ) (9) (10) di  mana adalah  kecepatan  air  di  sisi outlet dari draft  tube , adalah  tekanan total  di  sisi inlet dari draft  tube terpasang, dan
adalah tekanan total di sisi outlet - nya.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Contour Kecepatan dan Tekanan
Gambar  6  sampai  8  menunjukkan contour kece-patan aliran air di turbin hydrocoil dengan draft  tube  conical  straight,  curved  elbow, dan simple elbow . Tampak bahwa kecepatan fluida menga-lami  peningkatan  selama  melewati bilah turbin dan mengalami penurunan kembali di  dalam draft  tube .  Peningkatan  kecepatan selama  melewati  bilah  turbin  menunjukkan adanya  peningkatan  kecepatan  tangensial aliran akibat putaran bilah turbin, sebagaimana diungkapkan  oleh  Luthfie  [10].  Kecepatan tangensial ini akan menambah kecepatan total aliran air ketika melewati turbin hydrocoil.
(a) (b) (c)
(d)
(e) (f)
(g)
Gambar 6. Contour kecepatan aliran air di turbin hydrocoil dengan draft tube conical straight (a) 350 rpm (b) 500 rpm (c) 650 rpm (d) 800 rpm (e) 950 rpm (f) 1.100 rpm (g) 1.250
rpm
(a) (b) (c) (d) (e)
(f)
(g)
Gambar 7. Contour kecepatan aliran air di turbin hydrocoil dengan draft tube curved elbow (a) 350 rpm (b) 500 rpm (c) 650 rpm (d) 800 rpm (e) 950 rpm (f) 1,100 rpm (g) 1.250 rpm
(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
Gambar 8. Contour kecepatan aliran air di turbin hydrocoil dengan draft tube simple elbow (a) 350 rpm (b) 500 rpm (c) 650 rpm (d) 800 rpm (e) 950 rpm (f) 1,100 rpm (g) 1.250 rpm
Sementara  itu,  Gambar  9  sampai  11 menunjukkan contour tekanan  aliran  air  di
turbin  hydrocoil  pada draft  tube  jenis  conical straight, curved elbow, dan simple  elbow . Dari gambar-gambar tersebut, tampak bahwa terjadi  penu-runan  tekanan  statis  air  selama melewati  bilah  turbin  dan  penurunan  tekanan lebih besar lagi di dalam draft tube . Penurunan tekanan  ini  menunjukkan  adanya  penyerapan energi aliran air oleh turbin hydrocoil. Semakin besar  penurunan  tekanannya,  maka  semakin besar  pula  penyera-pan  energi  aliran  air  oleh turbin hydrocoil.
(a) (b) (c)
(d) (e)
(f)
(g)
Gambar 9. Contour tekanan aliran air di turbin hydrocoil draft tube conical straight (a) 350 rpm (b) 500 rpm (c) 650 rpm (d) 800 rpm (e) 950 rpm (f) 1,100 rpm (g) 1.250 rpm (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
Gambar 10. Contour tekanan aliran air di turbin hydrocoil draft tube curved elbow (a) 350
rpm (b) 500 rpm (c) 650 rpm (d) 800 rpm (e)
950 rpm (f) 1,100 rpm (g) 1.250 rpm
(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
Gambar 11. Contour tekanan aliran air di turbin hydrocoil draft tube simple elbow (a) 350 rpm (b) 500 rpm (c) 650 rpm (d) 800 rpm (e)
950 rpm (f) 1,100 rpm (g) 1.250 rpm

## 3.2. Kinerja Turbin Hydrocoil
Pada  penelitian  ini,  kinerja  turbin  yang  akan diamati  adalah  torsi,  daya  turbin,  dan  efisiensi turbin. Adapun pembahasannya adalah sebagai berikut:
a.  Torsi Tabel 4 menunjukkan nilai-nilai torsi turbin hydrocoil untuk setiap jenis draft tube pada setiap variasi kecepatan putar. Gambar 12 menunjukkan plot nilai-nilai torsi tersebut. Tampak pada gambar tersebut bahwa sema-kin besar kecepatan putar, torsi semakin kecil dan tidak ada perbedaan yang signifikan di antara ketiga jenis draft tube . Hal ini menunjukkan bahwa torsi turbin tidak dipengaruhi oleh jenis draft tube , tetapi hanya dipengaruhi oleh bentuk bilah turbin dan kecepatan putar turbin. Tren torsi ini telah sesuai seperti yang ditunjukkan oleh [4].
Tabel 4. Nilai torsi turbin hydrocoil untuk setiap jenis draft tube Kecepatan Putar [rpm] Torsi [Nm] Draft Tube Conical Straight Draft Tube Curved Elbow Draft Tube Simple Elbow
Kecepatan Putar [rpm] Torsi [Nm] Draft Tube Conical Straight Draft Tube Curved Elbow Draft Tube Simple Elbow 350 264,56 263,55 260,82 500 252,46 251,01 248,66 650 239 238,59 236,51 800 220,62 221,58 220,41 950 209,24 209,09 205,27 1.100 182,06 181,45 183,62 1.250 158,95 159,22 159,39
Gambar 12. Grafik hubungan kecepatan putar terhadap torsi turbin hydrocoil untuk setiap jenis draft tube
b. Daya Turbin
Tabel  5  menunjukkan  nilai-nilai  daya turbin  hydrocoil  untuk  setiap  jenis draft tube pada  setiap  variasi  kecepatan  putar. Gambar  13  menunjukkan  plot  nilai-nilai daya tersebut. Pada Gambar 13, menunjukkan  semakin  besar  kecepatan putar  maka  akan  semakin  besar  daya yang  dihasilkan.  Namun,  daya  akan mengalami  penurunan  kembali  ketika kecepatan  putar  di  atas  1.100  rpm  yang artinya  pada  kecepatan  putar  1.100  rpm, daya  turbin  mencapai  nilai  maksimum. Hal  ini  telah  sejalan  dengan  tren  daya turbin hydrocoil pada penelitian [20].
Tabel 5. Nilai Daya Turbin Hydrocoil untuk Setiap Jenis Draft Tube Kecep atan Putar [rpm] Daya Turbin [W] Draft Tube Conical Straight Draft Tube Curved Elbow Draft Tube Simple Elbow 350 9.691,71 9.654,71 9.554,7 500 13.212,07  13.136,19 13.013,2 650 16.259,96  16.232,07 16.090,56 800 18.473,24  18.553,63 18.455,66 950 20.805,43  20.790,51 20.410,68 1.100 20.961,17  20.890,94 21.140,78
Kecep atan Putar [rpm] Daya Turbin [W] Draft Tube Conical Straight Draft Tube Curved Elbow Draft Tube Simple Elbow 1.250 20,795.95  20.831,28 20.853,52
Gambar 13. Grafik hubungan kecepatan putar terhadap daya turbin hydrocoil untuk setiap jenis draft tube
Sementara  itu,  Gambar  14  menunjukkan perbandingan  nilai  daya  pada  kecepatan putar  1.100  rpm  untuk  setiap  jenis draft tube .  Tampak  pada  Gambar  14,  bahwa draft tube jenis
simple elbow menghasilkan  daya  turbin  tertinggi  di antara ketiganya.
Gambar 14. Grafik hubungan kecepatan putar terhadap daya maksimal turbin hydrocoil untuk setiap jenis draft tube
c. Efisiensi
Tabel  6  menunjukkan  nilai-nilai  efisiensi turbin  hydrocoil  untuk  setiap  jenis draft tube pada  setiap  variasi  kecepatan  putar. Gambar  15  menunjukkan  plot  nilai-nilai daya tersebut.
Tabel 6. Nilai Efisiensi Turbin Hydrocoil Untuk
Setiap Jenis Draft Tube Kecepatan Efisiensi [%]
Putar [rpm] Draft Tube Conical Straight Draft Tube Curved Elbow Draft Tube Simple Elbow 350 41,83 42,67 41,24 500 57,03 56,7 56,17 650 70,18 70,07 69,46 800 79,74 80 79,67 950 89,81 89,75 88,11 1.100 90,48 90,18 91,26 1.250 89,77 89,92 90,02
Gambar 15. Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar Terhadap Efisiensi Turbin Hydrocoil Untuk Setiap Jenis Draft Tube
Gambar  15  menunjukkan  semakin  besar kecepatan  putar  maka  akan  semakin besar  efisiensi  yang  dihasilkan.  Namun, efisiensi  akan  mengalami  penurunan kembali  pada  kecepatan  putar  1.100  rpm yang  artinya  pada  kecepatan  putar  1.100 rpm  adalah  puncak  efisiensi  dari  turbin hydrocoil .  Hal  ini  sejalan  dengan  tren daya  turbin  yang  dihasilkan.  Adapun  nilai efisiensi  di  kecepatan  putar  1.100  rpm ditunjukkan  oleh  Gambar  16.  Pada Gambar  16,  efisiensi  tertinggi  dicapai ketika turbin hydrocoil dipasangkan dengan draft tube jenis simple elbow.
Gambar 16. Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar Terhadap Efisiensi Maksimal Turbin Hydrocoil Untuk Setiap Jenis Draft Tube
3.3. Analisis Head Recovery Hasil  perhitungan head  recovery ditunjukkan oleh  Tabel  7.  Gambar  17  menunjukkan  plot nilai-nilai head  recovery tersebut.  Pada gambar  tersebut,  perbedaan  bentuk  desain draft tube mempunyai nilai head recovery yang bervariasi  dari  variasi  kecepatan  putar.  Pada draft  tube jenis conical  straight menunjukkan bahwa  setiap  perbedaan  kecepatan  putar memiliki  nilai head  recovery yang  cenderung konstan  dan  memiliki head  recovery tertinggi pada  kecepatan  putar  1.100  rpm  dengan  nilai 1,627  m.  Pada draft  tube jenis curved  elbow menunjukkan  semakin  besar  kecepatan  putar maka  akan  semakin  kecil  nilai head recovery dan memiliki head recovery tertinggi pada rata- rata  putaran  350  rpm  dengan  nilai  3,447  m. Sementara  pada draft  tube jenis simple  elbow menunjukan  semakin  besar  kecepatan  putar maka  akan  semakin  besar  nilai head  recovery dan  memiliki head  recovery tertinggi  pada kecepatan putar 1.250 rpm dengan  nilai 4,155 m.
Tabel 7. Head Recovery untuk Setiap Jenis
Draft Tube Kecepatan Putar [rpm] Head Recovery [m] Draft Tube Conical Straight Draft Tube Curved Elbow Draft Tube Simple Elbow 350 1,334 3,447 1,544 500 1,4308 3,061 1,963 650 1,361 2,807 2,63 800 1,3017 2,206 3,175 950 1,4203 1,853 3,474 1.100 1,627 1,866 4,097 1.250 0,923 1,055 4,155
Gambar 17. Grafik Hubungan Antara
Kecepatan Putar Terhadap Head Recovery Turbin Hydrocoil untuk Setiap Jenis Draft Tube
Terjadinya perbedaan head recovery pada setiap  jenis draft  tube disebabkan  karena  ada perbedaan kecepatan pada sisi inlet draft tube
dan  kecepatan  pada  sisi outlet draft  tube . Perbedaan  ini  terjadi  karena  setiap draft  tube memiliki  perubahan  luas  penampang  yang berbeda-beda  mulai  dari  sisi inlet hingga  sisi outlet . Selain itu, panjang dari setiap jenis draft tube juga  berbeda,  sehingga  mempengaruhi besarnya
perubahan
kecepatan dan perubahan  tekanan  aliran  air  selama melewati draft tube .
Kotak  merah  di  Gambar  17  menunjukkan nilai head recovery setiap jenis draft tube pada kecepatan putar terbaik, yaitu kecepatan putar yang  menghasilkan  daya  dan  efisiensi  turbin terbaik.  Penentuan  jenis draft  tube terbaik untuk  sism  PLTMH  ini  didasarkan  pada perbandingan  nilai head  recovery yang  ada di dalam  kotak  merah.  Dari  hasil  perbandingan, tampak  bahwa  jenis draft  tube terbaik  untuk sistem  PLTMH  ini  adalah  jenis simple  elbow , karena  jenis  tersebut  memiliki  nilai head recovery tertinggi di antara jenis-jenis lainnya.

## 4. KESIMPULAN
Parameter  penetuan  jenis draft  tube adalah hubungan head  recovery tertinggi  dengan  efi- siensi  tertinggi  pada  setiap  jenis draft  tube . Pada  kecepatan  putar  terbaiknya, draft  tube jenis conical  straight memiliki  nilai head recovery 1,627  m  dengan  efisiensi  90,48%. Sementara pada draft tube jenis curved elbow , nilai head  recovery -nya  adalah  1,866  m  dan efisiensinya  adalah  90,18%.  Pada draft  tube jenis simple  elbow ,  nilai head  recovery -nya adalah  4,097  m  dengan  efisiensi  mencapai 91,26%.  Dengan  ini  menunjukan  bahwa draft tube jenis simple  elbow adalah  yang  paling baik untuk turbin hydrocoil di sistem PLTMH ini dengan  nilai  efisiensi  dan head  recovery tertinggi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] IESR,  “Energi  Terbarukan,” J.  Chem.  Inf. Model. ,  vol.  53,  no.  9,  pp.  1689 –1699,
2017.
[2]  A.  Taufiqurrahman  and  J.  Windarta, “Overview  Potensi  Dan  Perkembangan Pemanfaatan Energi Air Di Indonesia,” J. Energi Baru dan Terbarukan , vol. 1, no. 3, pp. 70 –78, 2021, doi: 10.14710/jebt.2020.10036. [3] S.  Nisworo  and  E.  Setyowati,  “Menggali Potensi Aliran Air Sungai  Sebagai
Sumber Tenaga Pembangkit Listrik Mikrohidro;  Studi  Kasus :  Sungai  Kali Manggis  Di  Wilayah  Magelang,” J.
Teknol.  Acad.  Ista ,  vol.  12,  no.  2,  pp.
260 –265, 2008.
[4]  A.  Aprillianto,  Indarto,  and  Prajitno, “Design of A Prototype Hydrocoil Turbine Applied As Micro Hydro Solution,” ASEAN J.  Syst.  Eng. ,  vol.  1,  no.  2,  pp.  72 –76, 2013.
[5]  S.  Tridon,  S.  Barre,  G.  Dan,  and  L. Tomas,  “Fluids  Experimental  analysis  of the swirling flow in a Francis turbine draft tube : Focus on radial velocity component determination,” Eur.  J.  Mech.  B/Fluids , vol.  29,  no.  4,  pp.  321 –335,  2010,  doi: 10.1016/j.euromechflu.2010.02.004.
[6] R.  A.  Subekti,  “Analisis  Aliran  Fluida Dinamik  Pada  Draft  Tube  Turbin  Air,” Puslit Tenaga List. dan Mekatronik - LIPI , no. 21, 2012.
[7]  M.  H.  Shojaeefard,  A.  Mirzaei,  and  A. Babaei, “Shape optimization of draft tubes for  Agnew  microhydro  turbines,” Energy Convers.  Manag. ,  vol.  79,  pp.  681 –689, 2014, doi: 10.1016/j.enconman.2013.12.025.
[8]  A.  Baya,  S.  Muntean,  V.  C.  Câmpian,  A. Cuzmoş,  M.  Diaconescu,  and  G.  Bǎlan, “Experimental investigations of the unsteady  flow  in  a  Francis  turbine  draft tube cone,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. ,  vol.  12,  p.  012007,  2010,  doi: 10.1088/1755-1315/12/1/012007.
[9]  C. D. Widiawaty, A. I. Siswantara, and G. G. R. Gunadi,
“Kajian Analisis Engineering Dengan Metode Computational Fluid Dynamics,” J.
PoliTeknologi ,  vol.  14,  no.  3,  2016,  doi: 10.32722/pt.vol14.no.3.2015.pp.
[10] A.  A.  Luthfie,  “Analisis  Pengaruh Perubahan  Sudut  Pipa  Siphon  Terhadap
Performasi  Turbin  Hydrocoil  Dengan Menggunakan
Metode Computational Fluid Dynamic (CFD),” J. Tek. Mesin , vol.
6, no. 1, p. 41, 2017, doi: 10.22441/jtm.v6i1.1336.
[11] S. Sukamta and A. Kusmantoro,
“Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro  Hidro  (PLTMH)  Jantur  Tabalas Kalimantan Timur,” J. Tek. Elektro Unnes , vol. 5, no. 2, pp. 58 –63, 2013.
[12] Max,  “Draft  Tube:  A  Basic  Guide  to  The Types,  Function  And  Efficiency,” Linquip Technews ,
2020. https://www.linquip.com/blog/draft- tube/#draft_tube_function. [13] R.  M.  Irawan,  “Simulasi  CFD  Aliran Stratified
Air-Udara
pada
Pipa Horisontal,” Semesta  Tek. ,  vol.  21, no.  2,
2016, doi: 10.18196/st.212227.
[14]  H.  K.  Versteeg  and  W.  Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid
Dynamics:  The  Finite  Volume  Method . New  York:  Pearson  Education  Limited, 1995.
[15]  Y.  A.  Cengel  and  J.  Cimbala, Fluid Mechanics: Fundamental And Application ,  vol.  1999,  no.  December.
2006.
[16] R.  M.  A.  A.  Aritonang,  “Rancangan Pengujian  Serta  Pembuatan  Turbin  Air Kinetik  Tipe  Savonius  Poros  Vertikal Menggunakan  Pemandu  Arah  Aliran Dengan  Pemanfaatan  Aliran  Sungai,” J. Pembang. Wil. Kota , vol. 1, no. 3, pp. 82 – 91, 2018.
[17] A.  Muliawan  and  A.  Yani,  “Analisis  Daya Dan  Efisiensi  Turbin  Air  Kinetis  Akibat Perubahan Putaran Runner ,” Sainstek  J.
Sains  dan  Teknol. ,  vol.  8,  no.  1,  p.  1, 2017, doi: 10.31958/js.v8i1.434.
[18] I.  Hanggara  and  H.  Irvani,  “Potensi PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikro
Hidro) Di Kecamatan Ngantang Kabupaten  Malang Jawa Timur,” J.  Reka
Buana , vol. 2, no. 2, pp. 149 –155, 2017.
[19]  R.  Khare,  V.  Prasad,  and  M.  Verma, “Design Optimisation of conical draft tube of  hydraulic  turbine,” IJAEST  Int.  J.  Adv. Eng.  Sci.  Technol. ,  vol.  2,  no.  1,  pp.  22 – 26, 2012.
[20]  A.  A.  Luthfie,  S.  E.  Pratiwi,  and  P. Hidayatulloh,
“Hydrocoil Turbine Performance  at 3 m,  4 m, and  5  m  Head Analysis Using Computational Fluid Dynamics Method,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci.  Eng. ,  vol.  343,  no.  1,  2018,  doi:
10.1088/1757-899X/343/1/012024.