## PERANCANGAN MODEL AIR ALIRAN SILANG (CROSS FLOW TURBINE)
DENGAN HEAD 2 m DAN DEBIT 0,03 m 3 /s

## Ridwan
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana, Jakarta
Abstra k  -  Pembangkit  listrik  tenaga  mikrohidro  merupakan  pembangkit  listrik  skala  kecil  yang menggunakan  air  sebagai  penggeraknya  dan  penggerak  mula  adalah  turbin.  Sistem  pembangkit  ini sangat tepat digunakan di pedesaan karena sistem ini mudah dibuat, menghasilkan daya listrik yang cukup besar dan biaya pembuatan yang lebih relatif murah. Atas dasar diatas  maka perlu dirancang suatu turbin  yang mendukung sistem pembangkit ini, diantaranya adalah Turbin Aliran Silang. Untuk merancang  sebuah  turbin  air  agar  tidak  terjadi  kesalahan  dalam  perancangan (seperti  hal-nya  biaya pembuatannya) maka dilakukan perancangan prototipenya.
Sebuah prototipe Turbin Aliran Silang dirancang dalam kegiatan tugas akhir ini dengan debit (Q) = 0,03 m 3 /s,  head  (H)  =  2  m  dengan  efisiensi  0,80.  Spesifikasi  teknik  utama  dari  hasil  perancangan  turbin adalah diameter runner (D) = 0,195 m dengan putaran turbin 281,39 rpm daya keluaran efektif sebesar 470,4 W.

## Keywords: Mikrohidro, Turbin, Listrik

## 1.   Pendahuluan
Pada  saat  sekarang  ini,  listrik  merupakan kebutuhan  yang  sangat  penting  dalam  segala aktifitas  manusia.  Upaya  pemerintah  untuk memenuhi  kebutuhan  listrik  sampai  saat  ini masih  tetap  berlangsung.  Termasuk  melalui beberapa  metode  pengkonversian  energi, misalnya  dengan  sistem  pembangkit  listrik tenaga  air  (PLTA),  sistem  pembangkit  listrik tenaga diesel (PLTD), sistem pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), dan sistem lainnya. Tetapi masih belum mencukupi kebutuhan listrik yang ada.
Salah satu alternatif yang sudah digunakan adalah  penggunaan  sistem  pembangkit  listrik tenaga  mikrohidro  (PLTMH)  yang  merupakan solusi  tepat  untuk  dikembangkan.  Dimana energi  air  sejauh  ini  adalah  alternatif  yang menarik. Sumber energi air dalam ukuran kecil dan sedang banyak tersedia.
Telah  dilakukan  banyak  pemanfaatan dengan  menggunakan  turbin  aliran  silang, namun sejauh  ini  turbin  tersebut  bekerja  pada tingkat efisiensi rancangan sekitar 76%. Dalam usaha  mendapatkan  pengetahuan  yang  lebih banyak tentang turbin aliran silang, direncanakan  untuk  membuat  alat  uji  turbin. Tugas  akhir  ini dikhususkan  merancang  turbin yang akan digunakan untuk alat uji tersebut.

## 2. Tinjauan
Turbin  air  dikembangkan  pada  abad  19  dan digunakan  secara  luas  untuk  pembangkit tenaga  listrik.  Turbin  air  berperan  untuk
mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan  energi  kinetik)  menjadi  energi  mekanik dalam  bentuk  putaran  poros.  Putaran  poros turbin  ini  akan  diubah  oleh  generator  menjadi tenaga listrik. Sistem pembangkit tenaga  yang memanfaatkan  tenaga  aliran  air  secara maksimal adalah sistem pembangkit tenaga air. Tetapi karena umumnya sistem pembangkit ini digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik, maka  sistem  ini  disebut  sistem  Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Sistem ini menggunakan  turbin  air  sebagai  alat  utama untuk  membangkitkan  tenaga.  Penggerakan turbin  ini  adalah  memanfaatkan  tenaga  aliran yang didapat daripada aliran air. Yaitu dengan memanfaatkan kecenderungan air  yang selalu mengalir ke tempat yang lebih rendah sehingga didapatkan energi potensial air.
Energi  tersebut  didapat  dengan  cara mengalirkan  air  dari  suatu  ketinggian  dengan laju  aliran  tertentu  melalui  suatu  saluran  yang
Turbin Cross Flow Turbin Prototipe Satuan H 20 2 M Q 0,3 0,03 m 3 /s N 500 281,39 Rpm n s 90,69 90,69 Rpm P t 44,7336 0,4704 kWatt D 1 0,345 0,195 M
biasanya  disebut  dengan  pipa  pesat  kesuatu unit  turbin.  Kecepatan  dan  tekanan  air  yang yang  terjadi  akibat  perbedaan  ketinggian tersebut  digunakan  untuk  memutar  runner (roda turbin  atau bagian turbin yang berputar), runner  tersebut  mempunyai  fungsi  menerima energi  tekan  dan  kecepatan  dari  air.  Energi yang  diterima  sudu-sudu,  kemudian  dirubah menjadi energi mekanis dalam bentuk daya dan putaran pada poros turbin.
2.2 Kontruksi Dasar
Secara  garis  besar  turbin  air  terdiri  dari  dua bagian  utama,  yaitu  stator  dan  rotor.  Rotor adalah bagian-bagian dari turbin yang bergerak atau  berputar  seperti  roda  turbin,  poros, kopling,  roda  gaya,  pulley  dan  bagian  lainnya yang  dipasang    pada  poros  atau  roda  turbin. Stator adalah bagian-bagian dari turbin air yang diam  seperti  saluran  masuk,  rumah-rumah, bantalan poros, sudu antar, saluran buang dan lain-lain,  seperti  yang  diperlihatkan  pada gambar.
Gambar 2.1 Skema : Konstruksi Dasar Turbin Air
(Sumber: Steeter. VL. 1998. Hal 105)
Roda turbin (runner) adalah bagian utama dari  turbin  air  yang  berfungsi  untuk  merubah tenaga  potensial  dan  tenaga  kinetis  aliran  air menjadi  tenaga  mekanis  yang  berupa  putaran poros. Runner ini terdiri dari bagian hub dimana sejumlah  sudu-sudu  gerak  dipasang  pada sekelilingnya.  Hub  ini  dipasang  pada  poros dengan  sebuah  pasak  memanjang  dan  mur pengikat.  Poros,  kopling  dan  pulley  adalah bagian dari rotor turbin air yang berfungsi untuk mentransmisikan  daya,  sedangkan  roda  gaya untuk meratakan putaran turbin.
Saluran masuk dan rumah turbin air adalah bagian  utama  dari  stator  turbin  dimana  sudu- sudu  antara  atau  nozzle  dan  bantalan  poros dipasangkan.  Pada  turbin-turbin  reaksi  seperti turbin Kaplan dan turbin Francis, saluran masuk atau  rumah-rumah  berupa  ruang  pusaran rumah  siput  (scroll  casing)  dimana  sejumlah sudu-sudu antar yang berfungsi untuk mengatur atau mengarahkan aliran air dipasang. Sedangkan pada turbin aksi, seperti turbin  Pelton  dan  turbin  Cross  Flow  saluran masuk  berupa  nozzle  yang  dilengkapi  dengan tombak-tombak  (spear)  atau  sudu  antar  yang berguna untuk mengatur aliran air masuk roda turbin.  Pada  turbin  Propeller,  rumah-rumah turbin berupa suatu tabung lurus dua lapis yang antara keduanya dipasang sudu-sudu antar.
Saluran buang untuk menyalurkan air yang keluar  dari  roda  turbin  ke  pembuangan  (tail race). Pada turbin aksi saluran buang ini berupa ruang terbuka saja. Jadi dalam hal ini air keluar dari roda turbin langsung jatuh ke pembuangan. Namun pada turbin-turbin reaksi saluran buang ini pada umumnya berupa tabung vakum (draft tube).  Tabung  ini  disamping  berguna  untuk menyalurkan  air  buangan  juga  menambah head  dari  instalasi  sehingga  meningkatkan effisiensinya.

## 2.3 Kriteria Pemilihan Jenis Turbin Air
Ada beberapa faktor yang mendasari perencanaan  dan  pemilihan  suatu  turbin  air. Faktor-faktor tersebut yang terutama antara lain adalah:
1. Debit aliran air
2. Head atau tinggi air jatuh
3. Kecepatan spesifik
4. Putaran  turbin
5. Putaran pesawat yang digerakkan
6. Posisi poros turbin
7. Biaya pembangunan instalasi
Dari sekian banyak faktor tersebut di atas, yang paling menentukan adalah debit dan head
aliran air. Ukuran atau dimensi turbin air sangat tergantung kepada debit dan head air ini. Debit air  yang  besar  pada  head  tertentu  akan memerlukan turbin air ukuran besar, sedangkan  untuk  head  air  yang  besar  pada debit  tertentu,  dimensi  turbin  air  cenderung lebih kecil. Dengan demikian debit dan head air
ini  secara  tidak  langsung  akan  menentukan biaya pembuatan turbin air berikut pembangkitnya, sperti pada gambar:
Disamping itu debit dan head air ini beserta jumlah  putaran  pesawat  yang  digerakkannya akan  mempengaruhi  juga  dalam  penentuan putaran turbin sekaligus kecepatan spesifiknya. Sedangkan kecepatan spesifik itu sendiri akan menentukan  pula  terhadap  jenis  turbin  yang digunakan. Demikian juga debit dan head air ini akan menentukan juga posisi turbin, yang mana turbin-turbin  dengan  debit  air  yang  besar biasanya mempunyai poros vertikal.
Ada  beberapa  faktor  yang  menentukan dalam  pemilihan  debit  dan  head  air  yang direncanakan  untuk  suatu  pemilihan  turbin. Penentuan  pontensi  sumber  air  dan  keadaan tanah  atau  topografi  sekitar  lokasi  dan kapasitas  listrik yang  dibutuhkan,  serta kemampuan  dana  yang  diperlukan  untuk membangun instalasinya. Kita mengenal tinggi air jatuh total (gross head = H) dan tinggi jatuh air effektif (effective head = Hef).  Head total ini adalah perbedaan ketinggian antara permukaan antara head race dengan tail race, sedangkan effective head adalah tinggi jatuh air total  dikurangi  dengan  kerugian  tinggi  tekan akibat gesekan pada pipa pesat  dan peralatan lainnya.
Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat dilakukan dengan menggunakan Kecepatan spesifik (nS).

## 2.4  Konsep Turbin Aliran Silang
Salah  satu  jenis  turbin  aksi  ini  juga  dikenal dengan  nama  Turbin  Michell-Banki  yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger  yang merupakan perusahaan yang  memproduksi  turbin  Cross  Flow.  Turbin Cross Flow  dapat dioperasikan pada debit 0,2 m3/s hingga 10 m3/s dan head antara 1 s/d 200 m. Sebagai suatu turbin aliran radial atmosferik, yang  berarti  bekerja  pada  tekanan  atmosfir, turbin aliran silang menghasilkan daya dengan mengkonversikan  energi  kecepatan  pancaran air. Meninjau karakteristik kecepatan spesifiknya,  ia  berada  di  antara  turbin  Pelton dan turbin Francis aliran campur.
Turbin  aliran  silang  (Cross  Flow)  terdiri atas dua bagian utama, nosel dan runner. Dua buah piringan sejajar disatukan pada lingkarnya oleh  sejumlah  sudu  membentuk  konstruksi yang  disebut  runner.  Nosel  berpenampang persegi, mengeluarkan pancaran air ke selebar runner  dan  masuknya  dengan  sudut  16o
terhadap  garis  singgung  lingkar  luar  runner. Bentuk  pancaran  adalah  persegi,  lebar  dan tidak terlalu tebal. Air masuk ke sudu-sudu pada rim  runner,  mengalir  diatasnya,  ke  luar,
memintas ruang kosong di antara bagian dalam rim,  masuk  ke  sudu-sudu  pada  sisi  dalam  rim dan akhirnya keluar dari runner, seperti terlihat pada gambar di bawah.

## 3.  Metodologi
Perancangan kali ini adalah perancangan untuk prototipe  turbin  Cross  Flow  sebagai  alat  uji  di laboratorium.  Turbin  prototipe  dibuat  dengan debit dan head yang lebih rendah, dengan data sebagai berikut:
Tinggi jatuh air, H =  2  m
Debit air, Q   =  0,03   m3/s Diameter runner, D1 =  0,195m Berdasarkan data prototipe yang ada dilakukan perencanaan turbin
prototipe dengan perhitungan yang meliputi:
• Segi Tiga Kecepatan
• Perencanaan Dinding Runner
• Perencanaan Sudu
• Lengkung Pemasukan
• Titik Berat Sudu
• Perhitungan Gaya Impuls
• Perencanaan Sabuk
• Perencanaan Poros
• Perencanaan Pasak
• Perhitungan Umur Bantalan

## 4. Hasil Perhitungan Perancangan
Spesifikasi  teknik  turbin  air  aliran  silang  hasil perancangan adalah sebagai berikut:
Tabel  Data Perancangan Besaran Simbol  Satuan Nilai Debit Q m 3 /s 0,03 Head H m 2 Konstanta kecepatan k - 0,087 Sudut masuk 1  ( o ) 16
Koefisien empiris  - 0,95 Efisiensi turbin  - 0,80 Massa jenis air a  Kg/m 3 1000 Gravitasi bumi g m/s 2 9,81 Tabel Hasil Perhitungan Diameter Runner Besaran Simbol Satuan Nilai Daya turbin P t kW 0,4704 Putaran turbin N rpm 281,39 Kecepatan spesifik n s rpm 90,69 Diameter runner D 1 m 0,195 Jari-jari runner R 1 m 0,0975 Tabel Hasil Perhitungan Segitiga Kecepatan Besaran Simbol  Satuan Nilai Kecepatan  absolut  air masuk turbin C 1 m/s 5,95 Kecepatan  tangensial ujung sudu U 1 m/s 2,86 Kecepatan  relatif  air terhadap sudu W 1 m/s 3,29 Sudut kecepatan nisbi 1  ( o ) 30 Jari-jari dalam turbin R 2 m 0,0639 Kecepatan arah radial W 2 m/s 2,51 Kecepatan arah tangensial U 2 m/s 1,87
Sudut antara kecepatan arah absolut dengan kecepatan arah tangensial 2  ( o ) 53,31 Kecepatan absolut C 2 m/s 3,13 Kecepatan absolut aliran masuk tingkat II C 3 m/s 3,13 Kecepatan  arah  radial aliran masuk tingkat II W 3 m/s 2,51 Kecepatan arah tangensial aliran masuk tingkat II U 3 m/s 1,87 Kecepatan arah tangensial aliran keluar tingkat II U 4 m/s 2,86 Kecepatan  arah  radial aliran keluar tingkat II W 4 m/s 3,29 Kecepatan absolut aliran keluar tingkat II C 4 m/s 1,64
Dari  hasil  perhitungan  dengan  data  yang diberikan untuk membandingkan antara model dengan prototipe dengan Q = 0,03 m/s3 dan H =  2  m,  maka  didapatkan  diameter  runner sebesar  0,195  m  dan  kecepatan  spesifik sebesar  90,69,  atas  dasar  kecepatan  spesifik ini maka sesuai dengan nilai kecepatan spesifik untuk  turbin  Cross  Flow  (dengan  Ns  =  40  – 180). Dalam penentuan pipa untuk sudu, dipilih pipa  baja  yang  ada  dipasaran,  jadi  tebal  yang didapatkan dari perhitungan disesuaikan dengan  tebal  pipa  yang  ada  dipasaran, demikian  juga  halnya  dengan  panjang  sabuk hasil  dari  perhitungan  disesuaikan  dengan panjang sabuk yang ada dipasaran.
Sedangkan untuk penentuan poros digunakan bahan baja ST 37. Dimana diameter poros  didapatkan  dari  hasil  perhitungan sebesar  25  mm  dengan  panjang  poros
didapatkan  dari  perancangan  gambar  sebesar 427 mm. Sedangkan untuk bahan pasak dipilih bahan  yang  memiliki  kekuatan  tarik  yang kurang  dari  kekuatan  tarik  poros,  sehingga pasak akan lebih dahulu rusak dari pada poros atau  naf.  Ini  disebabkan  harga  pasak  lebih murah dan mudah menggantinya.
Untuk penentuan umur bantalan didapatkan  umur  bantalan  A  selama  49,95 tahun  dan  umur  bantalan  B  selama  2230,39 tahun. Dari perbedaan umur bantalan A dan B dapat diketahui bahwa gaya yang bekerja pada masing-masing bantalan tidaklah sama.

## 6.  Kesimpulan
Dengan  dibuatnya  turbin  prototipe  dari  turbin Cross  Flow  sebagai  alat  uji  labor  maka diharapkan akan mempermudah dalam perancangan dan pembuatan turbin Cross Flow yang  sebenarnya  untuk  mendapatkan  aliran listrik  yang  tentunya  dengan  perawatan  yang relatif  mudah  dan  murah.  Dalam  kegiatan Tugas  Akhir  ini  berdasarkan  hasil  perhitungan dan perancangan  dimensi turbin  prototipe  dari turbin Cross Flow maka dapat disimpulkan:
1.  Pada  perancangan  prototipe  dari  turbin Cross  Flow  ini  direncanakan  ditempatkan pada  kondisi  debit  air  0,03  m3/s  dengan tinggi  air  jatuh  sebesar  2  m  dan  putaran turbin  direncanakan  500  rpm.  Dengan diameter  runner  0,195  m  dan  efisiensi turbin sebesar 0,80. Dengan menghasilkan potensi  tenaga  air  turbin  yang  dapat membangkitkan energi listrik dengan daya effektif sebesar 470,4 W.
2.  Sudu yang digunakan adalah dari pipa baja dengan  jumlah  sudu  dan  jari-jari  sudu masing-masing 18 buah dan 32 mm.
3.  Poros yang digunakan untuk menggerakkan  runner  tersebut  digunakan poros  baja  ST  37  dengan  diameter  poros 25  mm  dan  panjang  poros  427  mm.  Dan pasak yang digunakan Ball Single-row 200 dengan  lebar,  tinggi,  dan  panjang  pasak adalah  masing-masing 6  mm,  4 mm  ,  dan 20 mm.
4.  Sabuk yang digunakan adalah sabuk V tipe B, dengan panjang sabuk 1408,95 mm.
5.  Bantalan  yang  digunakan adalah  bantalan peluru  dengan  umur  bantalan  A  selama 49,95  tahun  dan  umur  bantalan  B  selama 2230,39.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Alex  Arte,  Ueli  Meier,  SKAT,  Seri Memanfaatkan  Tenaga  Air  dalam  Skala Kecil Buku 2, Pedoman Rekayasa Tenaga Air, Jakarta ,1991.
2. C.  A.  Mockmore  Professor  of  Civil Engineering and Fred Merryfield Professor of Civil Engineering,
Engineering  The  Banki  Water  Turbine,
Experiment Station Oregon State System of Higher Education Oregon State College
Corvallis Buletin Series No. 25, 1949.
3 Dietzel,  Fritz,  Dakso  Sriyono,  Turbin Pompa dan Kompressor, Erlangga, Jakarta, 1993.
4 Dr Ingeniero de Minas, Layman's Handbook  on  How  to  Develop  a  Small Hydro  Site  (Second  Edition),  European, 1998.
5 DTI,  Hydropak,  Concept  Design  and Analysis  of  a  Packaged  Cross  Flow Turbine, Europa, 2004.
6 European  Small Hydropower  Association ESHA, Guide on How to Develop a Small Hydropower  Plant,  Thematic  Network  on Small hydropower (TNSHP), 2004.
7 MHPG  Series    Harnessing  Water  Power on  a  Small  Scale,  Cross  Flow  Turbine Design  and  Equipment  Engineering, Volume 3, SKAT, Swiss, 1993.
8 Niemann  G,  Elemen  Mesin,  Edisi  II,  Jilid 1, Erlangga, Jakarta, 1999.
9 Popov,  E.P,  terjemahan  Astamar  Z, Mekanika  Teknik,  Edisi kedua,  Erlangga, Jakarta, 1991.
10 Rochim,  Taufik,  Teori  dan  teknologi Proses Pemesinan, Lab. Teknik Produksi Pemesinan,  Jurusan  Teknik  Mesin,  ITB, Bandung, 1993
11 Sefriko,  Maiyoni.  No.BP  :  98  171  017. Penyusunan  Komputasi  Perancangan Turbin Cross Flow Menggunakan Bahasa Pemrograman  Matlab  V6.5.  Tugas  Akhir Mahasiswa  Teknik  Mesin  Universitas
Andalas Padang, 2004. 12 Sularso, Dasar Perencanaan Dan
Pemilihan  Elemen Mesin  Edisi  Ke-6,  PT.
Pradnya Paramita, Jakarta, 1987
13 Spotts, M.F., Design of Machine Element Sixth Edition
14 The  British  Hydropower  Association,  A Guide  to  UK  Mini-Hydro  Developments, Version 1.2, 2005.
15 Zuhal, Dasar Tenaga Listrik, Penerbit ITB, Bandung, 1991
16 http://home.carolina.rr.com/microhydro
17 http://www.hydropower- dams.com/atlas/industry.html
18 http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/ layman2.pdf
19 http://lingolex.com/bilc/engine.html
20     http://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine
21 www.itpower.co.u