ANALISIS SIMULASI PENGARUH RATIO OVERLAP SUDU TERHADAP UNJUK KERJA SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE
Hasnul Khuluqi 1 , Syamsul Hadi 1 , Dominicus Danardono 1
1 Teknik Mesin – Universitas Sebelas Maret e-mail addresses : khuluqi_hasnul@yahoo.com (Hasnul Khuluqi), syamsulh_st@yahoo.com (Syamsul H.) Danar1405@gmail.com (D.Danardono) ,
Keywords : Overlap  Ratio  , Simulasi , Savonius Turbine, Aspect ratio, Endplate, Torque.

## Abstract :
The rainwater which is harvested and flowed in a 3 inch diameter pipe has potential energy that can be used to generate the turbine generator  for  producing  electricity.  This  paper  was  focused  on horizontal axis savonius turbine with varied blade overlap ratio in  picohydro generator. Savonius turbine is known to utilize the drag force and work efficiently at low velocity. The purpose of this research is to find out optimal torque of savonius water turbine, and flow distribution . The results showed that the flow rate of 11.9 l/s with the overlap variation of 0.3 obtained the maximum torque value of 5,22 Nm.

## PENDAHULUAN
Drag-type dan Lift-type  Turbine sudah  banyak dikaji  oleh  beberapa  peneliti  turbin.  Penelitian Vertical  Axis  Water  Turbine (VAWT)  yang diaplikasikan untuk
menggerakkan Power Generation untuk  aliran  air  dalam  pipa  telah dilakukan.  Perbandingan  antara Drag-type  Turbine dan Lift-type Turbine yang diaplikasikan pada sebuah (VAWT) telah dilakukan simulasi menggunakan CFD software maupun  dengan  eksperimen.  Hasilnya menunjukkan Drag-type Turbine lebih baik dari pada Lift-type Turbine [ 1 ].
Pengaplikasian  turbin  Savonius  maupun  turbin Darieus dalam media air menjadi hal yang baru dalam perkembangan  turbin  air  [ 1 ].  Hasil  penelitian  turbin Savonius  yang  diaplikasikan  ke  dalam  air  mampu menghasilkan efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan  turbin  Savonius  pada  media  angin  [2]. Momentum  air  yang  lebih  besar  jika  dibandingkan dengan  angin  mengakibatkan  potensi  daya  yang dihasilkan  oleh  air  jauh  lebih  besar.  Selain  itu, pemakaian turbin Savonius pada Vertical Axis Water Turbine diteliti  untuk  melihat  pengaruh variasi  rasio overlap sudu [3].
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mengetahui distribusi aliran fluida, dan mengetahui pengaruh rasio overlap sudu terhadap torsinya .

## METODOLOGI PENELITIAN
Turbin  yang  diuji  mempunyai  dimensi  yang mengacu pada jurnal yang telah diteliti sebelumnya. Turbin  mempunyai overlap  ratio β  =  e/d  [3]. Lengkung sudu yang digunakan adalah semi cylinder (180ᵒ), endplate Do/D = 1,1 [4], dan aspect ratio As = H/D  =  1  [5].  Lalu,  tebal  plat  yang  digunakan adalah 2 mm.
Dimensi turbin yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 1 .
Gambar 1. Dimensi Turbin
a. Overlap Ratio
Gambar 2. Overlap ratio
b. Sampel Turbin

## Gambar 3. Sampel Turbin

## c. SolidWorks
Simulasi  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini menggunakan Computational  Fluid  Design (CFD) pada  SolidWorks  2015.  Simulasi  dilakukan  agar mengetahui  kemungkinan  desain  yang  terbaik. Parameter-parameter yang digunakan pada simulasi dapat dilihat pada table 1.
Tabel 1. Parameter-parameter

## FLUID DOMAIN
Inlet Tipe Boundary Inlet Mass flow rate 11,9 l/s Outlet Tipe Boundary Opening Nilai tekanan 1 atm SOLID DOMAIN Material ABS

## d. Boundary Conditions
Simulasi yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan Computational  Fluid  Design (CFD) pada SolidWorks 2015. Simulasi dilakukan sebelum pengujian dengan tujuan agar mengetahui kemungkinan desain yang terbaik.  Parameter yang
digunakan  pada  simulasi  adalah  debit  yang mengenai sudu turbin. Debit yang digunakan adalah 11,9 l /s.
Gambar 4. Boundary Conditions

## HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Validasi Simulasi
Sebelum  melaksanakan  proses  simulasi,  satu hal  yang  harus  diperhatikan  dan  dilakukan  terlebih dahulu  adalah  melakukan  validasi.  Validasi dilakukan  guna  untuk  menentukan  metode  yang paling  tepat  untuk  kita  gunakan  dalam  simulasi tersebut.  Parameter  yang  perlu  diperhatikan  dalam proses  validasi  untuk  metode  simulasi  ini  adalah aplikasi yang digunakan dan hasil yang didapatkan. Dalam  penelitian  ini,  simulasi  akan  dilakukan dengan  menggunakan  aplikasi Flow  Simulation Solidworks ,  sehingga  untuk  menentukan  validasi tersebut referensi yang digunakakan dalam penelitian  sebelumnya  harus  dengan  tema  dan aplikasi yang sama. Hal tersebut harus diperhatikan guna  untuk  menjaga  keakuratan  dari  hasil  validasi itu sendiri.
Referensi yang digunakan dalam penelitian ini diambil  dari  penelitian  [6].  Dalam  penelitian tersebut, [6] menggunakan aplikasi Flow Simulation Solidworks guna untuk mengetahui performa turbin propeler  yang  telah  dirancangnya.  Parameter  yang perlu  diperhatikan  dalam  penelitian  tersebut  adalah head sebesar  1,5  m  dan  inputan  berupa flow  rate sebesar  1,499  m 3 /s.  Hasil  yang  didapatkan  dalam penelitian tersebut berupa distribusi kecepatan turbin sebesar 0 hingga 10,949 m/s.
KANIKA
9 Volume 17 Nomor 2 September 2018
Data Percobaan Data Validasi (Myint)
Gambar 5. Distribusi Kecepatan Turbin Propeler
Dengan mengadopsi desain turbin yang telah ada serta menggunakan parameter head dan volume flow rate yang sama, proses validasi yang dilakukan adalah  dengan  melakukan running ulang  dengan memaksimalkan  fasilitas  yang  terdapat  dalam aplikasi Flow Simulation Solidworks tersebut. Hasil distribusi  kecepatan  turbin  yang  didapatkan  adalah sebesar  0  hingga  11,220  m/s.  Terdapat  sedikit perbedaan  antara  data  validasi  dan  data  percobaan yang  didapatkan.  Kedua  data  tersebut  akan dituangkan  dalam  gambar grafik  untuk mengetahui selisih perbedaannya.

## Tabel 2. Nilai Data Validasi dan Data
Percobaan No. Data Validasi (m/s) Data Percobaan Simulasi (m/s) 1 0 0 2 1,217 1,247 3 2,433 2,493 4 3,690 3,740 5 4,866 4,987 6 6,347 6,233 7 7,399 7,480 8 8,516 8,727 9 9,732 9,974 10 10,949 11,220
14 12 10 8 6
4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Data Gambar 7. Grafik Data Validasi dan Data Percobaan [7].
Gambar 6. Distribusi Kecepatan Turbin Propeler Hasil Simulasi Running Ulang
Perbedaan yang terjadi antara data validasi dan data  percobaan  terlihat  relatif  kecil,  hal  tersebut dapat dilihat dari nilai distribusi kecepatannya. Nilai data validasi (Myint) berada pada 0 s/d 10,949 m/s, sementara  untuk  data  percobaan  berada  pada  0  s/d 11,220.  Setelah  dikalkulasi  perbedaan  yang  terjadi hanya  sebesar  2,5  %,  sehingga  metode  yang digunakan  dalam  simulasi  menggunakan  aplikasi Flow Simulation Solidworks sudah cukup valid [7].
b. Simulasi Setelah desain turbin selesai tahapan selanjutnya  adalah  pengujian  secara  studi  simulasi dengan  menggunakan Computational  Fluid  Design (CFD) pada SolidWorks 2015. Dengan tujuan untuk mengetahui  kemungkinan  desain  yang  terbaik dengan variasi rasio overlap sudu 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5,  dan  0,6.  Parameter  yang  digunakan  pada simulasi  adalah  debit  yang  mengenai  sudu  turbin yaitu  11,  9 l /s.  Berdasarkan  hasil  simulasi  yang diperoleh,  kemudian  dibuat  grafik  perbandingan antara  rasio overlap sudu  dengan  torsi  yang dihasilkan.  Hasil  nilai  torsi  pada  masing-masing rasio overlap sudu  dapat  dilihat  pada  tabel  3  dan gambar grafik 8.
V e loci ty ( m /s )
Volume 17 Nomor 2 September 2018 KANIKA 10
Volume 17 Nomor 2 September 2018
Tabel 3. Pengaruh Rasio Overlap terhadap Torsi.
5,50 5,00 4,50 4,00 3,50
3,00 2,50 NO Overlap Torsi (Nm) 1 0 4,91 2 0,1 5,00 3 0,2 5,01 4 0,3 5,22 5 6
7
0,4 0,5
0,6
5,14
3,41 2,75 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Overlap
yang  berlawanan  yang  mengakibatkan  nilai  torsi pada overlap 0 lebih kecil dari overlap 0,1. Selain itu bersarnya  torsi  pada  overlap  0  dipengaruhi  oleh faktor  arah  fluida  yang  setelah  menumbuk  sudu cekung  berbalik  arah  menghambat  putaran  turbin. Lalu  nilai  torsi  yang  paling  rendah  adalah overlap 0,5, dan 0,6 dengan nilai 3,41 Nm dan 2,75 Nm, hal ini  dikarenakan  sudu  yang  berlawanan  arah menghalangi  laju  aliran  fluida  sehingga  sudu  yang tegak  lurus  terhadap  aliran  fluida  menggalami penurunan  gaya  dorong  atau  gaya  hambat,  hal  ini yang mengakibatkan nilai torsi menjadi turun. Hasil distribusi  aliran  pada  masing-masing  rasio overlap sudu dapat dilihat pada gambar 9.
Gambar 8. Grafik pengaruh overlap ratio sudu terhadap torsi.
Gambar 8  menunjukkan nilai torsi yang terbaik terjadi pada overlap 0,3 dengan nilai torsi 5,22 Nm dikarenakan distribusi aliran fluida pada overlap 0,3 sangat  baik,  pada  sudu  yang  berlawanan  arah distribusi  alirannya  merata  mengenai  sudu  tersebut sehingga  sudu  yang  berlawanan  mendapatkan  gaya dorong  dan  menghasilkan  torsi  yang  besar.  Lalu pada overlap 0,4  mengalami  penurunan  nilai  torsi dengan torsi 5,14 Nm yang nilainya tidak terlampau jauh dari overlap 0,3 hal ini dikarenakan sudu yang berlawanan  arah  menghalangi  laju  aliran  sehingga distribusi aliran terganggu yang menyebabkan nilai torsi berkurang. Pada overlap 0,2 dengan nilai torsi 5,01  Nm  mengalami  penurunan  nilai  torsi dikarenakan celah di antara kedua sudu terlalu kecil sehingga  sudu  yang  berlawanan  arah  tidak mendistribusi aliran fluida dengan baik. Overlap 0,1 dengan  nilai  torsi  5,00  Nm  mengalami  penurunan nilai  torsi  dikarenakan  celah  di  antara  kedua  sudu sangat  kecil  sehingga  sudu  yang  berlawanan  arah tidak  mendistribusi  aliran  fluida  dengan  baik. Kemudian  pada overlap 0  dengan  nilai  torsi  4,91 Nm,  nilai  torsinya  lebih  kecil  dari overlap 0,1 dikarenakan tidak adanya celah di antara kedua sudu sehingga  tidak  ada  gaya  dorong  bantuan  dari  sudu
Gambar 9. Distribusi Aliran
T ors i (N m )
Volume 17 Nomor 2 September 2018 KANIKA 11
Volume 17 Nomor 2 September 2018

## KESIMPULAN
Hasil data torsi dan distribusi aliran fluida menyatakan  pada  variasi overlap  ratio 0,3  yang paling baik dengan nilai torsi sebesar 5,22 Nm.

## ACKNOWLEDGEMENT
Penelitian  ini  didanai  oleh  Dana  Hibah Penilitian  PUPT  (Penelitian  Unggulan  Perguruan Tinggi) Universitas Sebelas Maret, Surakarta
.
[7] Prasetyo  H,  dkk.,  “Simulasi  Turbin  Air Poros  Horizontal  Axis  Water  Turbine Dengan  Menggunakan  Aplikasi  Flow Simulation SolidWorks.” JURNAL MEKANIKA UNS, Volume-, No. 2, 2016.

## DAFTAR NOTASI
Do = Diameter Endplate [mm] e = Celah Sudu [mm] D = Diameter sudu [mm] d = Jari-jari sudu [mm] H = Tinggi sudu [mm] g = Percepatan gravitasi [m/s 2 ] Q = Debit [m 3 /s] T = Torque
[Nm]

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Chen  J,  dkk.  "A  novel  vertical  axis  water turbine  for  power  generation  from  water pipelines," Energy, vol. 54, pp. 184-193, 2013
[2] Biswas, dkk. "Experimental
and computational evaluation
of Savonius hydrokinetic turbine for low velocity condition with  comparison  to  Savonius  wind  turbine  at the  same  input  power," Energy  Conversion and Management, vol. 83, pp. 88-98, 2014.
[3] Patel,  dkk.  "Investigation  Of  Overlap  Ratio For  Savonius  Type  Vertical  Axis  Hydro Turbine," IJSCE ISSN: 2231-2307, vol.3, May 2013.
[4] Wenehenubun F, dkk."An experimental study on  the  performance  of  savonius  wind  turbine related  with  the  number  of  blades", 2nd International  Conference  on  Sustainable
Energy Engineering and Application. Vol. 68, pp. 297-304, (ICSEEA-2014).
[5] M. H. Ali, “Experimental Comparation Study for  Savonius  Wind  Turbine  Of  two  &  Three Blades  At  low  Wind  Speed,” Int.  J.  Of Modern Eng. Research (IJMER), vol. 3, Issue.
5, Sep – Oct. 2013 pp –  2978  –  2986  ISSN  :
2249 – 6645, 2013.
[6] Myint  Y  W,  Win  H  H.,  “Design  and  Flow Simulation  of  Runner  Blade  for  Propeller
Turbine,” ISSN  2319-8885, vol.  03,Issue.11 June-2014, pp. 2559-2562, 2014.