Jurnal Teknik Mesin Univ. Muhammadiyah Metro
URL: http://ojs.ummetro.ac.id/index.php/turbo

## PENGARUH VARIASI BENTUK SUDU TERHADAP KINERJA TURBIN AIR KINETIK

## (Sebagai Alternatif Pembangkit Listrik Daerah Pedesaan)
Ahmad Yani 1,a*) , Mihdar 2,b) , Rudi Erianto 3,c)
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Trunajaya Bontang. ) 1,2,3 Jl.Taekwondo RT.9 No. 55 Telp./Fax. (0548) 3035920 Bontang-Kaltim 75311 Email: yanibima@gmail.com a) , mihdar.mdr02@gmail.com b) , rudi.respector90@gmail.com c)

## Abstrak
Turbin  air  kinetik  adalah  salah  satu  turbin  yang  memanfaatkan  potensi  energi  kinetik berupa  kecepatan  aliran,  dimana  penelitian  ini  menggunakan  turbin  kinetik  poros  vertikal yang  bersudu  mangkuk.  Penelitian  dilakukan  dengan  menggunakan  suatu  instalasi  turbin kinetik,  dan  dilakukan  pengukuran  terhadap  gaya  dan  putaran  dengan  variasi    bentuk  sudu. Bentuk  sudu  turbin  air  kinetik  merupakan  salah  satu  variabel  yang  mempengaruhi  putaran dan  gaya tangensial  suatu turbin,  sehingga efeknya terhadap nilai  daya dan  efisiensi sebuah turbin air kinetik. Metode penelitian   yang   digunakan   adalah metode   eksperimen   dengan rancangan  percobaan  berskala laboratorium. Hasil penelitian menunjukan adanya pengaruh bentuk sudu terhadap daya dan efisiensi yaitu bentuk sudu lengkung memiliki efisiensi lebih tinggi  dibandingkan  dengan    bentuk  sudu  datar  dan  mangkuk.  Daya  dan  efisiensi  turbin maksimum  terjadi    pada  sudu  lengkung  dengan  nilai  sebesar  4,699  Watt  dan  29,659  %, kemudian  menurun  pada  sudu  mangkuk  dengan  nilai  daya  dan  efisiensi  sebesar  4,508  Watt dan 28,457 %. Sedangkan daya dan efisiensi turbin terendah terjadi sudu datar dengan nilai daya dan efisiensi sebesar 3,080 Watt dan 19,439 %.
Kata Kunci : Turbin kinetik, bentuk sudu,daya dan efisiensi turbin.

## Pendahuluan
Berdasarkan  data  Outlook  Energy Indonesia  atau  Badan  Pengkajian  dan Penerapan  Teknologi  (2015),  proyeksi kebutuhan  listrik  per  sektor pada  tahun 2016  kebutuhan  tenaga  listrik  nasional berturut-turut  adalah sebesar 190 TWh dan 232  TWh,  dengan  sektor  rumah  tangga pada kedua tahun tersebut masih mendominasi  dengan  pangsa  lebih  dari 41%. Sedangkan sektor industri mempunyai  pangsa  dikisaran  34%,  diikuti oleh  sektor  komersial  (24%),  dan  sektor transportasi  (0,1%).  Selama  periode  2013 s.d.  2050,  kebutuhan  tenaga  listrik  total  di semua  sektor  diperkirakan  akan  terus meningkat  secara  signifikan  hingga  lebih dari  10  kali,  yaitu  akan  mencapai  2.008 TWh pada tahun 2050 atau tumbuh sebesar 6,6%  per  tahun.  Kemudian,  mengenai
kebutuhan  listrik  per  kapita,  pada  tahun 2013  hanya  sebesar  764  kWh  per  kapita, dua  belas  tahun  kemudian  diprediksi  naik hampir  tiga  kali  lipat  menjadi  1.987  KWh per kapita. Pada tahun 2050 diprediksi akan mencapai 6.112 kWh per kapita.[1]
Energi  air  dapat  dimanfaatkan  sebagai pembangkit  listrik  dengan  memanfaatkan tenaga  potensial  yang  tersedia  (potensi  air terjun  dan  kecepatan  aliran).  Indonesia memiliki potensi besar untuk mengembangkan  pembangkit  listrik  tenaga air.      Ini  disebabkan  kondisi  topografi Indonesia  yang  bergunung  dan  berbukit serta  dialiri  oleh  banyak  sungai  (besar  dan kecil)  dan  di  beberapa  daerah  tertentu terdapat  danau  dan  waduk  yang  cukup potensial sebagai sumber energi air.
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah pembangkit yang
memanfaatkan  aliran  air  sebagai  sumber untuk  membangkitkan  listrik.  Pemanfaatan tenaga  air  kecepatan  rendah  salah  satunya dengan menggunakan turbin kinetik. Dimana  turbin  ini  memanfaatkan  Potensi energi  kinetik  berupa  kecepatan  aliran  air dari  sungai.  Arus  aliran  air  langsung menumbuk sudu turbin yang dapat menyebabkan runner berputar  sehingga terjadi perubahan energi kinetik air menjadi energi mekanis pada turbin yang digunakan untuk  menggerakan  generator  kemudian menjadi energi listrik. [5]
Bentuk sudu turbin sangat menentukan putaran  turbin  dimana  dengan  tepatnya penentuan bentuk sudu akan mempengaruhi kecepatan  tangensial  yang  memutar  roda turbin  untuk  meningkatkan  kinerja  turbin. Untuk  itu  maka  penelitian  ini  diarahkan untuk  menentukan  bentuk  sudu  yang  tepat untuk  menghasilkan  kinerja  turbin  yang maksimal maksimal.
Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk mengetahui  pengaruh  variasi  bentuk  sudu terhadap kinerja turbin air kinetik.
Pembahasan  pada  penelitian  ini  dapat dibatasi pada kondisi-kondisi:
1. Posisi poros turbin vertikal
2. Debit air 0,0078 m 3 /s
3. Pengujiandilakukan pada
skala
laboratorium dengan metode pengereman putaran turbin.
4. Sudu  yang  divariasikan  adalah  sudu datar, sudu lengkung dan sudu mangkuk.
5. Tidak  membahas  segitiga  kecepatan turbin dan kerugian aliran air.

## Tinjauan Pustaka
Turbin  air  terdapat  dalam  suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah  energi  potensial  yang  dimiliki air  menjadi  energi  kinetik.  Selanjutnya energi  kinetik  ini  akan  dirubah  menjadi energi  elektrik  melalui  generator.  Hal  ini menyebabkan  setiap  pembahasan  tentang turbin  hidrolik  akan  mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik.
Turbin  air  adalah  salah  satu  mesin penggerak  yang  mana  fluida  kerjanya
adalah  air.  Berdasarkan  perubahan  energi turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin Impuls dan turbin reaksi.

## Pengertian Turbin Kinetik
Turbin  air  kinetik  adalah  suatu  alat yang  dapat  menghasilkan  energi  mekanik berupa putaran poros dengan mengandalkan  kecepatan  aliran  air  dari sungai  dan  memanfaatkan  energi  kinetik air,  energi  kinetik  air  selanjutnya  diubah menjadi  energi  mekanis  pada  turbin  yang digunakan  untuk  menggerakkan  generator sehingga  menjadi  energi  listrik.  Turbin kinetik hanya mengandalkan kecepatan air, sehingga turbin jenis ini tidak membutuhkan  tinggi  jatuh  (head)  air. Turbin  ini  sangat  tepat  untuk  dipakai  pada daerah  yang  datar  yang  memiliki  aliran sungai,  terutama  daerah  pedesaan.  Sampai saat  ini  dikenal  dua  jenis  turbin  kinetik, yaitu turbin kinetik dengan poros horizontal dan  turbin  kinetik  berporos vertikal.  Turbin yang di pergunakan dalam penelitian  ini  adalah  turbin  kinetik  yang porosnya diletakan secara vertikal.

## Prinsip Kerja Turbin Kinetik
Turbin  kinetik  bekerja  dimana  arus aliran  air  langsung  menumbuk  sudu  turbin tanpa  melalui  nozel.  Energi  diberikan kepada  sudu  berupa  energi  kinetik  atau energi  kecepatan.  Pada  turbin  kinetik vertikal  (tegak)  air  langsung  menumbuk sudu  pada  setengah  bagian  roda  turbin sedangkan  setengah  bagian  yang  lain  juga mendapat  tumbukan  tetapi  tidak  sebesar setengah  bagian  yang  pertama  sehingga turbin masih bisa berputar.[3]

## Kinerja Turbin Kinetik
Turbin air yang diteliti adalah peralatan  mekanis  berbentuk  roda  pada poros vertikal. Turbin air ini memanfaatkan  kecepatan  aliran.  Air  yang masuk  ke  dalam  dan  keluar  turbin  tidak mempunyai  tekanan  lebih  ( over  pressure ). Dalam  pengujian  turbin  air  kinetik  hasil yang  diharapkan  adalah  mendapatkan  daya dan  efisiensi.  Proses  perhitungan  dengan
mempergunakan
persamaan berikut :[2,3,4,5]
Luas Penampang Saluran (A) Persamaan  untuk  menghitung  ujung luas  saluran  yang  menumbuk  sudu  turbin adalah :
𝐴 = 𝑃 . 𝐿 (1)

## Kapasitas Aliran (Q)
Untuk  menghitung  kapasitas  aliran, digunakan persamaan :
𝑄 = 𝐴 . 𝑉 (2)
Laju Massa Air yang Mengalir ( 𝑚̇ ) Massa aliran digunakan persamaan :
𝑚̇ = 𝜌 .  𝑄 (3)
Daya Air yang Mengalir (P a )
Daya  air  dapat  dihitung  dengan mempergunakan persamaan :
𝑃 𝑎 = 1 2 𝜌. 𝐴. 𝑉 3 (4)

## Torsi Turbin (T)
Besarnya  torsi  dapat  dihitung  dengan persamaan :
𝑇 = 𝐹 . 𝑅 (5)
Dimana : F = Jumlah gaya, (N) R =  Radius Pully, ( m)

## Kecepatan Anguler ( ω )
Untuk kecepatan keliling turbin diperoleh
dengan
menghitung
menggunakan persamaan :
𝜔 = 2.𝜋.𝑛 60 (6)
Daya Turbin (P t ) Daya turbin dihitung dengan persamaan :
𝑃 𝑡 = 𝑇. 𝜔 (7)
Efisiensi Turbin (η t ) Efisiensi dapat dihitung dengan persamaan
ɳ 𝜂𝑡 = 𝑃 𝑎 𝑃 𝑡 𝑥 100% (8)

## Metode Penelitian
Alat dan Bahan a. Instalasi Turbin Kinetik
b. Instalasi Pompa
c. Alat Ukur
- Tachometer untuk mengukur putaran turbin
- Neraca Pegas  untuk mengukur gaya dari beban     putaran turbin

## Variabel Penelitian
Variabel yang digunakan pada penelitian  ini  terdiri  dari;  variabel  bebas, variabel terikat dan variabel terkontrol.
a. Variabel Bebas
Variabel  bebas  adalah  variabel  yang ditentukan  nilainya  sebelum  dilakukan penelitian terdiri dari :
1. Variasi  bentuk  sudu  sudu  :  datar, lengkung dan mangkuk seperti ditunjukan gambar 1,2, dan 3.
Gambar 1. Bentuk sudu datar.
Gambar 2. Bentuk lengkung. Gambar 3. Bentuk sudu mangkuk.
2. Debit air : 0,0078 m 3 /s
3. Putaran  turbin  dikondisikan  konstan pada 90, 70, 50, 30, 10, dan 0 rpm.
b. Variabel Terikat Variabel  terikat  adalah  variabel  yang nilainya  sangat  tergantung  pada  variabel bebas  dan  merupakan  hasil  dari  penelitian. Variabel  terikat  yang  diperoleh  dalam penelitian ini adalah:
1. Daya turbin air kinetik
2. Efisiensi turbin air kinetik
c. Variabel Terkontrol Variabel  terkontrol  adalah  Putaran turbin  yang  ditentukan  untuk  mengukur besaran gaya (90,70, 50, 30, dan 10 rpm)
1. Jumlah sudu 8 buah.
2. Sudut  sudu  dikondisikan  konstan pada posisi 10 0 (backward).
3. Sudut  pengarah  aliran  dikondisikan konstan pada posisi 25 0 .

## Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian  ini  dilaksanakan  di  jalan Pangeran  Antashari  RT.  06  Kelurahan Berbas  Pantai  -  Kecematan  Bontang Selatan dan waktu penelitian dimulai Bulan Desember  2015  sampai  Bulan  Januari 2016.

## Prosedur Penelitian
1. Menyiapkan  dan  memasang  semua instalasi penelitian.
2. Memasang alat ukur yang
dibutuhkan.
3. Mengecek  kondisi  alat  ukur  beserta alat pendukung lainnya.
4. Menvariasikan  bentuk  sudu  turbin sesuai dengan bentuk sudu yang telah ditetapkan  yaitu  sudu  datar,  sudu lengkung dan sudu mangkuk.
5. Menghidupkan pompa untuk menyalurkan air.
6. Mengatur  debit  air  dengan  cara perhitungan  atau  pengukuran  aliran air  dengan  menggunakan  metoda waktu pengisian.
7. Mengukur putaran poros turbin dengan  alat  ukur tachometer tanpa beban  terlebih  dahulu.  Selanjutnya mengukur putaran poros turbin dengan  beban  yang  diberikan  secara pelan-pelan  dengan  cara  memutar tuas  penyetel  beban  gaya  sampai
memenuhi  putaran  yang  divariasi yaitu 90 rpm,70 rpm, 50 rpm, 30 rpm, dan 10 rpm. Selanjutnya memberikan beban  sampai  turbin  tidak  berputar. Kemudian  mencatat  setiap  variasi pengukuran  putaran  turbin  sampai turbin berhenti berputar.
8. Pengujian  pada  bentuk  sudu  datar dilakukan  tiga  kali  pengulangan untuk  mendapatkan  data  pengujian yang akurat.
9. Mengulang  langkah  nomor  satu sampai dengan kedelapan pada variasi  bentuk  sudu  lengkung  dan bentuk sudu mangkuk.
10. Mengolah data penelitian yang didapatkan.
11. Mengolah  dan  menganalisa  data penelitian  yang  didapatkan  untuk mengetahui hubungan antara variabel yang telah ditentukan.
12. Menarik kesimpulan dari hasil penelitian yang dilakukan.

## Instalasi Alat Penelitian
Gambar 4. Desain Instalasi Penelitian.
Gambar 5. Alat Penelitian Turbin Air.

## Pembahasan Hasil Penelitian
Dari  hasil  pengolahan  data  kemudian dilakukan  pembahasan  hasil  penelitian dengan tujuan untuk mendapatkan nilai dari
grafik  daya  dan  efisiensi  supaya  yang membaca penulisan
ini mudah
memahaminya dan dapat melihat fenomena yang  terjadi  dari  hasil  penelitian  yang dilakukan.
Pada  penelitian  ini  teknik  analisa  data menggunakan teknik deskriptif berdasarkan hasil  penelitian  yang  dilakukan.  Data  yang diperoleh  dari  hasil  penelitian  kemudian dianalisis  menggunakan  rumus  terapan, Selanjutnya  data  akan  disajikan  dalam bentuk  grafik  dengan  bantuan Microsoft Office  Excel untuk  menampilkan  grafik daya  dan  efisiensi  turbin  dari  hubungan antara  variasi  bentuk  sudu  yang  telah ditentukan.
Tabel  1.  Data  Daya  rata  –  rata  dari pengolahan ketiga variasi bentuk sudu.
Putaran, n (rpm) Daya P (watt) Sudu Datar Sudu Lengkun g Sudu Mangkuk 90 1.837 3.960 3.715 70 3.080 4.699 4.508 50 2.154 4.672 4.059 30 2.014 3.470 3.279 10 0.757 1.279 1.324 0 0.000 0.000 0.000
Dari  data  tabel  1  tersebut  kemudian dijadikan  dalam  bentuk  grafik  daya  turbin. Hubungan  antara  daya  dan  putaran  pada ketiga variasi bentuk sudu seperti ditunjukkan gambar 6.
Gambar 6. Grafik hubungan daya dan putaran pada ketiga variasi bentuk sudu.
Pada  penelitian  ini  diberikan  tiga variasi  bentuk  sudu  yaitu  sudu  datar,  sudu lengkung  dan  sudu  mangkuk.  Berdasarkan gambar  6  daya  turbin  maksimum  terjadi pada  sudu  lengkung  ,  kemudian  menurun pada  sudu  mangkuk    dan  daya  terendah terjadi pada sudu datar.  Daya turbin sangat tergantung pada besarnya torsi dan kecepatan anguler, besarnya torsi dipengaruhi  oleh  putaran  turbin.  Daya turbin  maksimum  terjadi    pada  sudu lengkung  dengan  nilai  sebesar  4,699  Watt dengan putaran 70 rpm, kemudian menurun pada  sudu  mangkuk  dengan  nilai  daya sebesar 4,508 Watt dengan putaran 70 rpm. Sedangkan  daya  turbin  terendah  terjadi sudu datar dengan nilai sebesar 3,080 Watt dengan putaran 70 rpm.
Tabel  2.  Data  efisiensi  rata  –  rata  dari pengolahan ketiga variasi bentuk sudu.
Putaran, n (rpm) Efesiensi ɳ (%) Sudu Datar Sudu Lengkun g Sudu Mangkuk 90 11.595 24.993 23.447 70 19.439 29.659 28.457 50 13.599 29.487 25.622 30 12.711 21.901 20.698 10 4.781 8.073 8.360 0 0.000 0.000 0.000
0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 D aya T urbin, P ( Wat t) Putaran Turbin, n (rpm) Grafik Daya VS Putaran Sudu Datar Sudu Lengkung Sudu Mangkuk
Dari  data  tabel  2  tersebut  kemudian dijadikan  dalam  bentuk  grafik  efisiensi . Hubungan antara efisiensi dan putaran pada ketiga variasi bentuk sudu seperti ditunjukkan gambar 7.
Gambar 7. Grafik hubungan efisiensi dan putaran pada ketiga variasi bentuk sudu.
Pada  penelitian  ini  diberikan  tiga variasi  bentuk  sudu  yaitu  sudu  datar,  sudu lengkung  dan  sudu  mangkuk.  Berdasarkan gambar 7 efisiensi turbin maksimum terjadi pada  sudu  lengkung,  kemudian  menurun pada  sudu  mangkuk  dan  efisiensi  terendah terjadi  pada  sudu  datar.  Efesiensi  turbin  di pengaruhi  oleh  daya  turbin  dan  daya  air, daya turbin sangat tergantung pada besarnya  torsi  dan  kecepatan  anguler, besarnya  torsi  dipengaruhi  oleh  putaran turbin,  sehingga  pada  putaran  dengan  nilai besar  akan  menghasilkan  gaya  yang  besar dan  gaya  tersebut  berpengaruh  terhadap torsi.  Efisiensi  turbin  maksimum  terjadi pada  sudu  lengkung  dengan  nilai  sebesar 29,659  %,  kemudian  menurun  pada  sudu mangkuk  dengan  nilai  efisiensi  sebesar 28,457  %.  Sedangkan  efisiensi  turbin terendah  terjadi  sudu  datar  dengan  nilai efisiensi sebesar 19,439 %.

## Kesimpulan
Hasil  penelitian  menunjukan  adanya pengaruh bentuk sudu terhadap kinerja atau
daya  dan  efisiensi  turbin  air  kinetik  yaitu bentuk  sudu  lengkung  memiliki  daya  dan efisiensi  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan bentuk  sudu datar dan mangkuk.  Daya dan efisiensi  turbin  maksimum  terjadi    pada sudu  lengkung  dengan  nilai  sebesar  4,699 Watt  dan  29,659  %,  kemudian  menurun pada  sudu  mangkuk  dengan  nilai  daya  dan efisiensi sebesar 4,508 Watt dan 28,457 %. Sedangkan  daya  dan  efisiensi  turbin terendah  terjadi  sudu  datar  dengan  nilai daya  dan  efisiensi  sebesar  3,080  Watt  dan 19,439 %.

## Daftar Pustaka
[1] Badan  pengkajian  dan  penerapan teknologi  (BPPT).  (2015).  pusat teknologi pengembangan sumberdaya Energi, Jakarta
[2] Irawan, D. Soenoko, R dan   Sutikno, D.  (2012).  “ Pengaruh  Sudut  Sudu Terhadap  Kinerja  Turbin  Kinetik” . P rosiding  Seminar  Nasional  Science,
Engineering and Technology, Brawijaya Malang.
[3] Ohoirenan.  W,  Wahyudi.  S,      dan Sutikno, D, (2012). “Pengaruh
Variasi Jumlah Sudu Terhadap Kinerja Turbin Kinetik Roda Tunggal” . P rosiding Seminar Nasional  Science,  Engineering  and Technology, Brawijaya Malang.
[4] Rusman,.  Soenoko,  R.  dan  Wahyudi. S. (2012). “Pengaruh Sudut Pengarah  Aliran  Terhadap  Kinerja Turbin  Kinetik  Bersudu  Mangkok” . P rosiding  Seminar  Nasional  Science, Engineering and Technology, Brawijaya Malang.
[5] Yani. A, Wahyudi. S. dan  Denny. W (2012) “Pengaruh  variasi  panjang sudu  mangkok  terhadap  kinerja turbin  kinetik” P rosiding  Seminar Nasional  Science,  Engineering  and Technology, Brawijaya Malang.
0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 E fi si ensi T urbin, η (% ) Putaran Turbin, n (rpm) Grafik Efisiensi VS Putaran Sudu Datar Sudu Lengkung Sudu Mangkuk