Simulasi Numerik Kinerja Turbin Cross-Flow pada Variasi Jumlah Runner Blade dan Sudut Serang
Piter H, Ir. Muhammad Agung Bramantya, S.T., M.T., M.Eng., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.; Ir. Joko Waluyo, M.T., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.
2025 | Tesis | S2 Teknik Mesin
Pemanfaatan energi
terbarukan menjadi solusi potensial dalam menghadapi krisis energi global,
salah satunya melalui teknologi turbin air tipe cross-flow yang dikenal
efisien dan cocok untuk daerah dengan debit air rendah hingga sedang.
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh jumlah runner blade
dan sudut serang terhadap kinerja turbin cross-flow secara numerik.
Parameter yang dikaji meliputi torsi, daya, efisiensi, serta karakteristik
aliran fluida di dalam runner.
Simulasi
dilakukan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD) berbasis
model tiga dimensi dan pendekatan transien. Model turbin yang digunakan sebagai
referensi mengacu pada desain turbin cross-flow yang diuji oleh Sammartano
dkk. (2016) secara eksperimen, kemudian dimodifikasi dengan variasi jumlah sudu
sebanyak 25, 35 dan 45, serta sudut serang sebesar 15°, 22° dan 29°. Simulasi
menggunakan metode mesh motion untuk menangkap interaksi dinamis antara
fluida dan rotor, serta model turbulensi k-? SST untuk representasi
aliran kompleks di dalam runner.
Simulasi
pertama dilakukan dengan memvariasikan jumlah runner blade (25, 35 dan
45) pada sudut serang tetap sebesar 22°. Hasil menunjukkan bahwa konfigurasi
dengan jumlah runner blade 45 menghasilkan torsi 66,1 N.m, daya 5,24 kW,
dan efisiensi tertinggi sebesar 89,3%, disertai penurunan tekanan dan turbulent
kinetic energy pada impeller. Efisiensi yang dihasilkan dari ketiga konfigurasi
bersifat non-linier, namun terdapat tren peningkatan kinerja seiring
bertambahnya jumlah sudu. Performa optimal pada konfigurasi jumlah runner
blade 45 menunjukkan konversi energi fluida ke energi mekanik yang lebih
efisien, meskipun terdapat margin of error sebesar 7,89% dibandingkan
data eksperimental.
Simulasi
kedua dilakukan dengan memvariasikan sudut serang (15°, 22° dan 29°) pada
jumlah runner blade tetap sebanyak 45. Hasilnya menunjukkan bahwa sudut
serang 22° memberikan performa terbaik dengan efisiensi 89,3%, sementara sudut
15° dan 29° menghasilkan efisiensi lebih rendah, masing-masing 61,6?n 81,2%.
Hal ini menunjukkan bahwa penyimpangan dari sudut optimum dapat menyebabkan
penurunan efisiensi akibat berkurangnya area tangkapan atau terjadinya flow
separation. Oleh karena itu, kombinasi desain jumlah runner blade
dan sudut serang yang tepat sangat penting dalam meningkatkan kinerja turbin cross-flow.
The utilization of
renewable energy has become a potential solution to address the global energy
crisis, one of which is through the application of cross-flow water turbine
technology, known for its efficiency and suitability in areas with low to
moderate water discharge. This study aims to analyze the effect of the number
of runner blades and angle of attack on the performance of a cross-flow turbine
through numerical simulation. The parameters evaluated include torque, power
output, efficiency, and fluid flow characteristics within the runner.
The
simulation was carried out using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method
based on a three-dimensional transient model. The reference turbine model
refers to a cross-flow turbine design experimentally tested by Sammartano et
al. (2016), which was then modified by varying the number of blades to 25, 35 and
45, and the angle of attack to 15°, 22° and 29°. The simulation employed the
mesh motion method to capture the dynamic interaction between the fluid and the
rotor, along with the k-? SST turbulence model to represent the complex
internal flow inside the runner.
The
initial simulation varied the number of runner blades (25, 35 and 45) at a
constant angle of attack of 22°. The results showed that the configuration with
45 runner blades produced the highest performance, with a torque of 66,.1
N.·m, power
output of 5,.24 kW,
and maximum efficiency of 89,.3%,
accompanied by a reduction in pressure and turbulent kinetic energy within the
impeller. The efficiency trend among the three configurations was non-linear,
but showed an increase in performance with more blades. The optimal performance
of the 45-blade configuration indicates a more effective conversion of fluid
energy into mechanical motion, despite a simulation error margin of 7,.89%
compared to experimental data.
The
second simulation varied the angle of attack (15°, 22° and 29°) with the number
of runner blades fixed at 45. The results showed that an angle of 22° delivered
the best performance with an efficiency of 89,.3%,
while angles of 15° and 29° yielded lower efficiencies of 61,.6%
and 81,.2%,
respectively. This indicates that deviation from the optimal angle can reduce
efficiency due to a decrease in flow capture area or the occurrence of flow separation.
Therefore, the appropriate combination of runner blade number and angle of
attack is essential for improving the performance of a cross-flow turbine.
Kata Kunci : Turbin Cross-Flow, Runner Blade, Sudut Serang, Efisiensi, Simulasi CFD
