## STUDI PENGARUH JUMLAH SUDU TERHADAP UNJUK KERJA SAVONIUS
WATER TURBINE PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA
Imron Hamzah 1 , Syamsul Hadib 1 , D. Danardono Dwi Prija Tjahjanac 1
1 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret
Email: imronhamzah397@gmail.com,

## ABSTRACT
Rainwater, flowed through a pipe, has potential energy that can be used to drive a turbine coupled with generator. Savonius water turbine with horizontal axis is used here as the turbine. The research compares  the  Savonius  water  turbine  with  different  blade  number  of  2,  4,  6,  8,  10  and  12  using Computational Fluid Design (CFD) of SolidWork 2013. The turbine specifications have the angle of curvature about 70  , the aspect ratio of 1, the end plate ratio of 1,1 and deflector angle of 45  . The data obtained in this paper are the pressure contour of Savonius turbine blade, the velocity of fluid flow and the torque generated.  The  aims of the  research  are to  obtain the  influence  of  the  blade number in the Savonius turbine to the turbine performances and to obtain the best of blade number. The results show that two blades has the best performances compared with the others. It has the highest torque about 5,75 Nm for the same conditions as well.
Keywords: power, Savonius turbine, torque, blade, flow

## PENDAHULUAN
Air hujan merupakan salah satu sumber energi yang  banyak  ditemukan  di  Indonesia.  Sayangnya energi tersebut terbuang tanpa dimanfaatkan terlebih dahulu. Padahal aliran air yang mengalir didalam pipa mempunyai energi potensial yang mampu menggerakkan turbin yang kemudian ditransmisikan ke generator sehingga menghasilkan energi listrik [1]. Sedangkan  air  hujan  yang  ditampung  dalam  sistem Rain  Water  Harvesting ( RWH )  dapat  digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik [2].
Penelitian  tentang  turbin  Savonius  banyak dilakukan dengan tujuan  meningkatkan performa dan daya  yang  dihasilkan.  Salah  satu  penelitian  yang dilakukan adalah pengaruh sudut sudu turbin. Seperti yang  dilakukan  oleh  Ahmed  [3],  penelitian  tersebut menggunakan  turbin  Savonius  dengan  jumlah  sudu tujuh yang digunakan dalam gelombang air laut. End- plate pada  turbin  angin  Savonius  juga  mampu mempengaruhi performa dari turbin tersebut. Turbin angin Savonius dengan dengan end-plate mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan turbin tanpa end-plate [4]. Selain itu penelitian tentang pengaruh jumlah sudu turbin Savonius terhadap performa juga dilakukan.  Penelitian  membandingkan  turbin  angin Savonius dengan tipe sudu semi-cylindrical dua sudu dengan  tiga  sudu  [5].  Hasil  yang  didapatkan,  pada kondisi percobaan yang sama turbin angin Savonius dua  sudu  lebih  efisien  dan  mempunya power coefficient yang  lebih  tinggi  dibanding  dengan  tiga sudu.  Namun  pada  penelitian  tentang  turbin  angin Savonius dengan bentuk setengah lingkaran mendapatkan  hasil  jumlah  sudu  yang  berbeda  [6].
Penelitian  yang  dilakukan  bertujuan  untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu terhadap unjuk kerja  turbin  angin  Savonius.  Hasil  yang didapatkan,  turbin  Savonius  tiga  sudu  memiliki performa  yang  lebih  baik  dan  mempunyai tip speed  ratio  (TSR) lebih  tinggi  dibandingkan dengan  turbin  Savonius  dua  sudu,  dan  empat sudu. Turbin pada penelitian tersebut mempunyai aspect ratio 1. Sedangkan pada aspect ratio (D/h) berbeda  akan  menghasilkan  jumlah  sudu  yang berbeda  pula. Aspect  ratio adalah  perbandingan antara  diameter  turbin  dengan  tinggi  turbin. Turbin angin Savonius dengan aspect ratio lebih kecil,  dimana  turbin  mempunyai  h  yang  lebih tinggi menghasilkan jumlah sudu optimal delapan sudu  [7].  Sama  halnya  dengan  turbin  angin Savonius  dengan  tipe  sudu  setengah  lingkaran dengan aspect  ratio 1,  turbin  angin  Savonius dengan  bentuk  sudu  L  mempunyai  jumlah  sudu optimal tiga sudu [8].

## METODOLOGI PENELITIAN
Desain turbin yang akan diuji mengacu pada jurnal  yang  telah  diteliti  sebelumnya.  Turbin mempunyai aspect  rasio D/h  =  1 dan  parameter end  plate D1/D  =  1,1.    Sudut  sudu  yang digunakan adalah sudut 70ᵒ. Sedangkan, tebal plat yang  digunakan  adalah  2  mm.  Dimensi  turbin yang  digunakan  dapat  dilihat  pada  Gambar  1. Pengujian yang akan dilakukan adalah pengujian tentang  variasi  jumlah  sudu.  jumlah  sudu  yang diuji adalah 2, 4, 6, 8, 10, dan 12. Parameter yang digunakan  seperti aspect  ratio , end  plate ,  tebal
plat  dan  sudut  sudu  turbin  adalah  sama.  Sudut deflector yang digunakan adalah 40º.
Gambar 1. Dimensi Turbin
Pemodelan  turbin  dilakukan  menggunakan software SolidWork  2013,  sedangkan  simulasi Computational  Fluid  Design ( CFD )  menggunakan simulasi internal  flow untuk  mengetahui  fenomena yang  terjadi  pada  sistem.  Simulasi  yang  dilakukan menggunakan meshing otomatis  dimana meshing yang  digunakan  terdapat  pada  level  5  [9].  Kondisi lingkungan  yang  digunakan  dalam  simulasi CFD adalah  debit  air  ( inlet  volume  flow )  yang  masuk kedalam  pipa  dan  tekanan  statis  ( static  pressure )  1 atm. Debit yang digunakan yaitu sebesar 0,0165 m 3 /s, didapat dari perhitungan secara teoritis dimana beda ketinggian permukaan air hingga mencapai turbin h = 2  m  dan  luas  penampang  setengah  dari  luas  pipa  3 inci. Data yang dianalisa pada simulasi adalah kontur tekanan  pada  permukaan  sudu  turbin  dan  kontur kecepatan  fluida  yang  melewati  sistem.  Selain  itu juga  diambil  data  torsi  yang  terjadi  pada  masing- masing  turbin.  Pengambilan  data  masing-masing turbin  pada  simulasi  dilakukan  degan  cara  memutar turbin  dengan  sudut  putar  tertentu  tergantung  dari jumlah  sudu  turbin.  Besarnya  sudut  putar  untuk masing-masing turbin dapat dilihat pada tabel 1.
Gambar 2. Desain Jumlah Sudu Turbin
Tabel 1. Angle of Attack Masing-masing Sudu Turbin
Jumlah Sudu Turbin 2 4 6 8 10 12 Su du t p un tir 0 0 0 0 0 0 45 22,5 15 11,25 9 7,5 90 45 30 22,5 18 15 135 67,5 45 33,75 27 22,5 180 90 60 45 36 30

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil simulasi pada kontur kecepatan fluida dan kontur tekanan pada sudu turbin ditunjukkan dengan  perbedaan  warna.  Warna  biru  tua  pada kontur menunjukkan nilai kecepatan dan tekanan yang  sangat  kecil,  sedangkan  warna  merah menunjukkan  nilai  kecepatan  dan  tekanan  yang sangat  tinggi.  Batasan  nilai  kecepatan  yang digunakan  pada  simulasi  ini  adalah  0-15  dan tekanan  pada  10.000-300.000.  Sebagai  contoh, akan  dipaparkan  hasil  simulasi  untuk  turbin dengan 2 sudu.
Gambar  3  merupakan  hasil  simulasi  turbin 2  sudu  dengan  sudut  putar  0ᵒ.  Terlihat  bahwa aliran  air  mengalir  melewati  sudu  turbin  dan sedikit  yang  terkena  sudu  turbin.  Hal  ini mengakibatkan tekanan pada sudu  turbin  sedikit sehingga  menghasilkan  torsi  yang  sedikit  pula. Torsi yang dihasilkan pada sudut putar 0ᵒ adalah 1,023 Nm.
Memutar  turbin  pada  sudut  putar  45 mengakibatkan  aliran  air  terhambat  oleh  sudu turbin. Terlihat pada Gambar 4 dimana aliran air yang  mengenai  sudu  turbin  pada  daerah  1 berwarna biru yang berarti kecepatan pada daerah tersebut  sangat  rendah.  Rendahnya  kecepatan aliran  air  menjadikan  tekanan  meningkat  seperti yang terlihat pada Gambar 4 b. Sedangkan sudu pada  daerah  2  mempunyai  warna  kuning  yang berarti  kecepatan  air  pada  daerah  tersebut  lebih tinggi  dari  pada  kecepatan  yang  terdapat  pada daerah 1 sehingga tekanan pada daerah  tersebut kecil seperti terlihat pada Gambar 4 b. Kontur kecepatan pada sudut putar 45ᵒ juga menunjukkan turbulensi aliran yang terlihat pada daerah yang diberi tanda lingkaran merah. Daerah tersebut memiliki kontur kecepatan berwarna biru tua  yang  berarti  kecepatan  pada  daerah  tersebut sangat rendah. Turbulensi yang terjadi mendorong  sudu  kearah  positif  dan  menambah tekanan pada sudu turbin sehingga meningkatkan torsi positif yang terjadi. Torsi yang terjadi pada sudut putar 45ᵒ adalah 3,298 Nm.
(a)
(b)
Gambar 3. Kontur Kecepatan Air (a) dan Tekanan (b) Sudu Turbin pada Sudut Putar 90ᵒ
(a)
(b)
Gambar 4. Kontur Kecepatan Air (a) dan Tekanan (b) Sudu Turbin pada Sudut Putar 135ᵒ
Memutar turbin pada sudut putar 135ᵒ justru menurunkan  torsi  pada  sudu  turbin.  Aliran  air akan melewati sudu dengan kecepatan yang lebih tinggi dibanding dengan sudut putar 45ᵒ dan 90ᵒ. Meningkatnya  kecepatan  berarti  menurunkan tekanan  yang  terjadi  pada  sudu  seperti  yang terlihat  pada  Gambar  4.  Torsi  yang  terjadi  pada sudut putar 135 adalah 1,108 Nm.
(a)
(b)
Gambar 5. Kontur Kecepatan Air (a) dan Tekanan (b)
Sudu Turbin pada Sudut Putar 180ᵒ
Memutar  turbin  pada  sudut  putar  180 berarti  mengembalikan  turbin  ke  posisi  awal seperti  terlihat  pada  Gambar  5.  Kondisi  pada sudut putar 180 sama seperti kondisi yang terjadi pada  sudut  putar  0.  Torsi  yang  dihasilkan  pada sudut putar ini adalah 1,023 Nm, sedangkan hasil simulasi untuk turbin dengan jumlah sudu 4, 6, 8, dan 12 dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Data Torsi Hasil Simulasi No 2 4 6 8 10 12 1 1,51 2,08 0,46 1,24 0,95 1,37 2 3,93 3,12 0,22 0,2 0,62 0,1 3 5,75 1,81 2,15 0,97 0,63 0,004 4 1,46 0,687 1,03 0,01 0,75 0,68 Rata-rata 3,163 1,924 0,965 0,605 0,738 0,539
Gambar 6 Grafik Pengaruh Sudut Putar Terhadap Torsi Simulasi
Gambar 7 Grafik Pengaruh Jumlah Sudu Turbin terhadap Torsi Rata-rata Simulasi
0 30 60 90
120 150 180 210 240 270 300 330 360 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Angle of Attack T or si (Nm ) 2 Sudu 4 Sudu 6 Sudu 8 Sudu 10 Sudu 12 Sudu
2 4 6 8 10 12 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 T or si R ata -r ata ( N m) Jumlah Sudu Turbin
Gambar  6  merupakan  grafik  torsi  hasil simulasi  setiap  sudut  putar  pada  masing-masing turbin.  Sedangkan  Gambar  7  adalah  grafik pengaruh jumlah sudu turbin terhadap torsi rata-rata yang  dihasilkan.  Terlihat  bahwa  turbin  dengan  2 sudu  mempunya  torsi  paling  besar  dibanding dengan jumlah sudu lain yaitu sebesar 3,163 Nm. Semakin  banyak  jumlah  sudu  turbin  maka hasil torsi yang didapatkan dalam simulasi semakin kecil. Turbin savonius dengan 3 sudu menghasilkan torsi 1,924 Nm. Hasil yang didapatkan pada turbin 6, 8, 10 dan 12 juga semakin kecil dengan hasil torsi masing-masing  adalah  0,965  Nm,  0,738  Nm,  dan 0,539 Nm.

## KESIMPULAN
Kesimpulan  yang  dapat  diambil  dari penelitian  dengan  menggunakan  model  simulasi SolidWork 2013 ini adalah:
1. Jumlah  sudu  turbin  berpengaruh  pada unjuk  kerja  turbin  savonius,  semakin banyak  jumlah  sudu,  nilai  torsi  yang dihasilkan semakin kecil;
2. Nilai  torsi  rata-rata  pada  masing-  masing turbin  adalah  3,163  Nm  untuk  2  sudu, 1,924 Nm untuk 4 sudu, 0,965 Nm untuk 6  sudu,  0,738  Nm  untuk  10  sudu,  dan 0,539 Nm untuk 12 sudu
3. Jumlah  sudu  terbaik  pada  turbin  air Savonius adalah 2 sudu;

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  J. Chen, H. X. Yang, C. P. Liu, C. H. Lau, and M.  Lo,  2013.  “A  novel  vertical  axis  water turbine  for  power  generation  from  water pipelines,” Energy , vol. 54, pp. 184–193.
[2]  N. Rosmin, A. S. Jauhari, A. H. Mustaamal, F. Husin, and M. Y. Hassan, 2015. “Experimental
Study  for  the  Single-stage  and  Double-stage Two-bladed Savonius Micro-sized Turbine for Rain  Water  Harvesting  (RWH)  System,” Energy Procedia , vol. 68, pp. 274–281.
[3]  M. R. Ahmed, M. Faizal, and Y. H. Lee, 2013. “Optimization  of  blade  curvature  and  inter- rotor spacing of Savonius rotors for maximum wave energy extraction,” Ocean Eng. , vol. 65, pp. 32–38.
[4]  N. H. Mahmoud,  a. a. El-Haroun, E. Wahba, and  M.  H.  Nasef,  2012.  “An  experimental study  on  improvement  of  Savonius  rotor performance,” Alexandria Eng. J. , vol. 51, no. 1, pp. 19–25.
[5]  M.  Ali,  2013.  “Experimental  Comparison Study  for  Savonius  Wind  Turbine  of  Two  & Three  Blades  At  Low  Wind  Speed,” Int.  J. Mod.  Eng.  Res.  … ,  vol.  3,  no.  5,  pp.  2978– 2986.
[6]  F. Wenehenubun, A. Saputra, and H. Sutanto, 2015.  “An  experimental  study  on  the performance of Savonius wind turbines related with the number of blades,” Energy Procedia , vol. 68, pp. 297–304.
[7]  F.  Napitulu  and  F.  Mauritz,  2013.  “Uji Eksperimental  dan  Analisis  Pengaruh  Variasi Keccepatan  dan  Jumlah  Sudu  terhadap  Daya dan  Putaran  Turbin  Angin  Vertical  Axis Savonius dengan Menggunakan Sudu Penggerak,” vol. II, no. 12.
[8]  B.  Mahendra,  R.  Soenoko,  and  D.  Sutikno, “Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Savonius Type L.”
[9]  A. I. Bayu, F. Teknik, P. Studi, and T. Mesin, 2012.  “Desain  Vertical  Axis  Wind  Turbine Tipe  Savonius  Optimasi  Kecepatan  Angin Rendah,” Universitas Indonesia.