Assalamualaikum warahmatullahi wabarakatuh. Selamat pagi, siang, dan malam Prof. DAI dan teman-teman semuanya. Perkenalkan, saya Radiya Daniswara Apta Mahdi dengan NPM 2306027341. Puji dan syukur kita panjatkan ke hadirat Allah SWT atas karunia kesehatan-Nya, sehingga Prof. DAI beserta teman-teman sekalian dapat meluangkan waktu untuk membaca blog saya yang akan membahas laporan saya mengenai, Desain dan Analisis Turbin Impuls pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP)

A. JUDUL PROYEK

Desain dan Analisis Turbin Impuls pada Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) 

B. NAMA LENGKAP PENULIS

Radiya Daniswara Apta Mahdi (2306207341)

C. AFILIASI

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

D. ABSTRAK

Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) merupakan salah satu teknologi pembangkit energi yang memanfaatkan energi panas dari reservoir geothermal untuk menghasilkan energi listrik. Pada pembangkit berbasis dry-steam dan flash-steam, uap geothermal digunakan untuk menggerakkan turbin yang kemudian mengubah energi fluida menjadi energi mekanik pada poros dan selanjutnya menjadi energi listrik melalui generator. Pemilihan jenis turbin menjadi salah satu keputusan penting karena karakteristik fluida geothermal berbeda dengan steam yang dihasilkan pada pembangkit konvensional.

Proyek ini membahas desain dan analisis konseptual turbin impuls pada PLTP menggunakan kerangka berpikir DAI5 (Deep Awareness of I, Intention, Initial Thinking, Idealization, dan Instruction Set). Pendekatan dimulai dari first principles, yaitu konservasi massa, momentum, energi, dan hukum termodinamika, kemudian dikembangkan menuju konsep rotodynamic machinery, klasifikasi turbin, mekanisme impuls dan reaksi, serta analisis pengaruh geometri sudu terhadap torque, power, efficiency, dan reliability.

Turbin impuls dipilih sebagai fokus studi karena pada turbin impuls pressure drop utama terjadi pada nozzle atau stator sebelum aliran memasuki rotor. Dengan demikian, energi tekanan steam terlebih dahulu dikonversi menjadi energi kinetik, kemudian perubahan momentum steam pada sudu menghasilkan torque pada rotor. Pemilihan ini selanjutnya dievaluasi terhadap karakteristik steam geothermal, termasuk moisture, mineral, silica, potensi erosion, scaling, dan kebutuhan maintenance.

Analisis menunjukkan bahwa desain sudu merupakan faktor penting dalam menentukan performa turbin. Blade angle, blade speed, blade height, chord, jumlah sudu, spacing, clearance, dan blade profile memengaruhi velocity triangle, perubahan momentum sudut, torque, losses, dan efficiency. Oleh karena itu, desain turbin tidak dapat hanya berorientasi pada maximum power, tetapi harus mempertimbangkan efisiensi, reliability, safety, maintainability, sustainability, dan karakteristik geothermal fluid.

Pendekatan DAI5 memberikan kerangka yang menghubungkan kesadaran dan niat dengan analisis engineering yang sistematis. Dengan demikian, solusi yang dihasilkan tidak hanya diarahkan untuk memenuhi target teknis, tetapi juga mempertimbangkan tanggung jawab manusia, keberlanjutan, manfaat sosial, dan kesadaran terhadap keteraturan alam sebagai bagian dari ciptaan Tuhan Yang Maha Esa.

E. DEKLARASI PENULIS

1. Deep Awareness (of) I

Proyek ini diawali dengan kesadaran bahwa ilmu teknik merupakan sarana untuk memahami keteraturan alam dan menghasilkan manfaat bagi manusia. Dalam perspektif DAI5, manusia tidak hanya berperan sebagai pengolah data, persamaan, dan perangkat lunak, tetapi juga sebagai pihak yang memiliki tanggung jawab terhadap penggunaan ilmu tersebut.

DAI5 dikembangkan sebagai kerangka berpikir yang mengintegrasikan kesadaran, niat, pemikiran ilmiah, idealisasi, dan instruksi penyelesaian masalah. Dalam penjelasan Fakultas Teknik Universitas Indonesia, DAI5 terdiri atas Deep Awareness of I, Intention, Initial Thinking (about the problem), Idealization, dan Instruction-Set, dengan tujuan agar penyelesaian masalah ilmiah tidak berhenti pada hasil teknis tetapi tetap memiliki kesadaran terhadap makna dan tujuan ilmu. (Universitas Indonesia, 2025).

Dalam proyek turbin impuls PLTP ini, kesadaran tersebut diwujudkan melalui pemahaman bahwa energi geothermal merupakan sumber daya alam yang perlu dimanfaatkan secara bertanggung jawab. Perancangan turbin harus memperhatikan keselamatan manusia, keandalan peralatan, efisiensi penggunaan sumber daya, dampak lingkungan, dan keberlanjutan operasi.

Kesadaran terhadap keteraturan hukum fisika juga menjadi bagian dari proses. Konservasi massa, momentum, dan energi bukan sekadar persamaan matematis, tetapi merupakan dasar untuk memahami keteraturan proses konversi energi dari geothermal fluid menjadi energi listrik.

Dengan demikian, setiap keputusan desain dalam proyek ini diarahkan untuk menghasilkan solusi yang bermanfaat, aman, bertanggung jawab, dan tetap mengingat keberadaan Tuhan Yang Maha Esa sebagai Pencipta keteraturan alam.

2. Niat Kegiatan Proyek

Niat utama proyek ini adalah:

Mempelajari, menganalisis, dan merancang secara konseptual sistem turbin impuls pada PLTP yang mampu mengonversikan energi steam geothermal menjadi energi mekanik secara efektif, efisien, aman, andal, dan berkelanjutan, dengan tetap mempertimbangkan kondisi nyata geothermal fluid serta tanggung jawab engineer terhadap manusia, lingkungan, dan Tuhan Yang Maha Esa.

Niat tersebut kemudian diterjemahkan menjadi beberapa tujuan teknis:

1. Memahami hubungan first principles dengan turbin sebagai rotodynamic machine.
2. Menjelaskan perbedaan turbin impuls dan reaksi.
3. Menentukan dasar pemilihan turbin impuls pada sistem PLTP berbasis steam.
4. Menganalisis hubungan pressure drop, velocity, momentum, torque, dan power.
5. Menganalisis pengaruh geometri sudu terhadap performa turbin.
6. Mengidentifikasi losses, erosion, scaling, dan moisture sebagai masalah engineering.
7. Mengembangkan pendekatan desain yang mempertimbangkan efficiency, reliability, safety, dan sustainability.
8. Menyusun prosedur analisis yang dapat dikembangkan menggunakan MATLAB, Python, CFD, atau perangkat lunak engineering lainnya.

F. PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Energi panas bumi merupakan energi yang berasal dari panas bumi yang tersimpan di bawah permukaan. Dalam pembangkitan listrik, panas tersebut dibawa ke permukaan melalui geothermal fluid dan dikonversikan menjadi energi mekanik melalui turbin sebelum menghasilkan energi listrik pada generator.

Secara umum, teknologi pembangkitan listrik geothermal dapat dikelompokkan menjadi dry steam, flash steam, dan binary cycle. Pada dry-steam plant, steam dari reservoir dapat diarahkan langsung menuju turbin. Pada flash-steam plant, geothermal fluid bertekanan tinggi mengalami penurunan tekanan sehingga sebagian fluida mengalami proses flashing dan menghasilkan steam yang kemudian digunakan untuk menggerakkan turbin. Pada binary cycle, geothermal fluid tidak langsung masuk ke turbin, tetapi mentransfer panas kepada secondary working fluid melalui heat exchanger. (U.S. Department of Energy, 2026).

Proyek ini memfokuskan pembahasan pada PLTP berbasis steam, khususnya dry-steam atau flash-steam, karena turbin menjadi komponen utama dalam proses konversi energi tersebut.

Secara fundamental, prosesnya dapat ditulis sebagai:

Geothermal EnergyThermal/Pressure EnergyKinetic EnergyMechanical EnergyElectrical Energy

Turbin sebagai rotodynamic machine bekerja berdasarkan interaksi antara aliran fluida dan rotor. Perubahan momentum sudut fluida menghasilkan torque pada rotor.

Untuk turbin impuls, penurunan tekanan terutama terjadi pada nozzle/stator. Steam kemudian masuk ke rotor sebagai aliran berkecepatan tinggi. Perubahan momentum aliran pada sudu menghasilkan gaya tangensial dan selanjutnya torque pada poros.

Sebaliknya, pada turbin reaksi, pressure drop terjadi baik pada stator maupun rotor. Degree of reaction dapat digunakan untuk menunjukkan proporsi enthalpy drop yang terjadi pada rotor. Pada impulse stage ideal, degree of reaction mendekati nol, sedangkan pada reaction stage terdapat enthalpy drop di rotor. (NPTEL, n.d.; MIT OpenCourseWare, 2012).

2. Pemikiran Awal (Initial Thinking about the Problem)

2.1 Menganalisis Masalah Secara Sistematis

Permasalahan utama yang dikaji adalah:

Bagaimana menentukan dan merancang turbin impuls yang sesuai untuk PLTP serta bagaimana geometri sudu memengaruhi kemampuan turbin dalam mengubah energi steam geothermal menjadi torque dan power secara efisien dan andal?

Permasalahan tersebut tidak dapat diselesaikan hanya dengan memilih jenis turbin. Engineer harus memahami hubungan:

P,T,m,h,V,U,Blade LoadingTorquePower

Beberapa potensi permasalahan adalah:

• pressure drop yang tidak optimal,
• steam velocity terlalu tinggi,
• blade angle tidak sesuai,
• incidence loss,
• profile loss,
• tip leakage,
• moisture erosion,
• mineral/silica scaling,
• corrosion,
• vibration,
• mechanical stress,
• dan penurunan efficiency selama operasi.

2.2 Layer Pemahaman Engineering

Untuk memahami turbin impuls secara sistematis, proyek ini menggunakan struktur layer sebagai berikut:

Layer 1 — First Principles

Fondasi analisis terdiri dari:

• conservation of mass,
• conservation of momentum,
• conservation of energy,
• thermodynamics,
• fluid mechanics.

Persamaan energi secara sederhana:

Wout=m(h1−h2)+V12−V222+g(z1−z2)

Untuk kondisi tertentu ketika perubahan energi kinetik dan potensial dapat diabaikan:

Woutm(h1−h2)

Layer 2 — Rotodynamic Machinery

Prinsip tersebut diterapkan pada mesin berputar.

Turbin merupakan mesin yang mengubah energi fluida menjadi kerja mekanik pada rotor.

Hubungan fundamentalnya adalah:

P=T

dengan:

• P = shaft power,
• T = torque,
• = angular velocity.

Layer 3 — Turbine

Pada tahap ini energi geothermal steam dikonversikan menjadi mechanical shaft power.

Aliran energi:

SteamNozzle/StatorRotorShaftGenerator

Layer 4 — Impulse dan Reaction

Pada tahap ini dilakukan klasifikasi berdasarkan distribusi pressure/enthalpy drop.

Impulse:

hrotor0

sehingga:

R0

Reaction:

hrotor>0

sehingga:

R>0

Degree of reaction didefinisikan sebagai:

R=hrotorhstator+hrotor

Dengan demikian, impulse dan reaction merupakan klasifikasi berdasarkan bagaimana ekspansi dan pressure/enthalpy drop didistribusikan pada stage, bukan berdasarkan arah aliran.

Layer 5 — Flow Configuration and Analysis

Turbin selanjutnya dapat dianalisis berdasarkan arah aliran:

• axial flow,
• radial flow,
• cross-flow.

Hal ini berbeda dengan impulse/reaction.

Contohnya:

Axial-flow Impulse Turbine

dan

Axial-flow Reaction Turbine

keduanya dapat terjadi.

2.3 Mengapa Turbin Impuls Dipilih?

Pemilihan turbin impuls dalam proyek ini tidak dilakukan hanya berdasarkan asumsi bahwa “PLTP menggunakan turbin impuls”. Pemilihan dilakukan melalui beberapa pertimbangan engineering.

Pertama — Distribusi Pressure Drop

Pada impulse turbine:

Pnozzle>0

sedangkan:

Protor0

Steam mengalami ekspansi terutama di nozzle dan keluar sebagai high-velocity jet sebelum memasuki rotor.

Kedua — Kontrol Energy Conversion

Nozzle dapat digunakan untuk mengontrol konversi:

Pressure/EnthalpyKinetic Energy

kemudian:

Kinetic EnergyShaft Work

Ketiga — Kondisi Geothermal

Geothermal steam dapat menghadapi masalah moisture, mineral deposition, silica scaling, corrosion, dan erosion. Studi mengenai geothermal turbine menunjukkan bahwa deposit mineral dapat mengurangi flow area dan menyebabkan penurunan turbine output serta efficiency. Silica dan calcium carbonate merupakan contoh deposit yang dapat muncul pada sistem geothermal. (Kubiak & Urquiza-Beltrán, 2002).

Karena itu, desain yang memungkinkan pressure drop utama dikontrol pada nozzle memberikan pendekatan yang menarik untuk studi ini.

Keempat — Multistaging

Jika total pressure ratio terlalu besar untuk satu stage, pressure drop dapat dibagi ke beberapa stage:

NozzleRotorNozzleRotor

Pembagian ini memungkinkan pengaturan velocity, blade speed, dan stage loading.

Namun demikian, pemilihan impulse bukan berarti reaction selalu lebih buruk. Reaction stage dapat mempunyai aerodynamic efficiency yang baik dan dapat menjadi pilihan yang tepat untuk kondisi tertentu. Pemilihan final harus mempertimbangkan pressure ratio, steam condition, mass flow, efficiency, mechanical stress, moisture, maintenance, dan biaya.

3. Stakeholder Analysis

Permasalahan turbin PLTP melibatkan banyak stakeholder.

Stakeholder	Kepentingan
Operator PLTP	Stable operation dan kemudahan monitoring
Maintenance engineer	Reliability dan maintainability
Mechanical engineer	Blade design, stress, vibration, dan efficiency
Process engineer	Steam pressure, temperature, flow rate
Electrical engineer	Generator matching dan electrical output
Management	CAPEX, OPEX, availability, ROI
Masyarakat	Reliable electricity dan dampak lingkungan
Pemerintah/regulator	Safety, environmental compliance, energy security
Lingkungan	Sustainable resource utilization
Reservoir engineer	Sustainability geothermal reservoir

Dengan demikian, desain turbin tidak boleh hanya mengoptimalkan satu parameter seperti power.

4. Root Cause Analysis

Penurunan performa turbin dapat dipetakan:

Geothermal Steam Condition

↓

Moisture / Silica / Mineral / Gas

↓

Erosion / Scaling / Corrosion

↓

Blade Geometry Change

↓

Flow Disturbance

↓

Loss Increase

↓

turbine, Pout

Deposit pada steam path juga dapat mengurangi flow area dan menurunkan kapasitas serta efficiency turbin. (Kubiak & Urquiza-Beltrán, 2002).

G. METODE DAN LANGKAH-LANGKAH SOLUSI

1. IDEALIZATION

1.1 Model Konseptual

Model yang digunakan:

SeparatorSteam LineNozzleImpulse RotorCondenser

dengan rotor terhubung ke generator.

Untuk studi awal digunakan model steady-flow.

1.2 Asumsi Ideal

Asumsi awal:

1. Steady-state operation.
2. Steady mass flow.
3. Adiabatic turbine casing.
4. Perubahan potential energy diabaikan.
5. Steam entering nozzle dianggap memiliki kondisi thermodynamic yang diketahui.
6. Pressure drop utama pada impulse stage terjadi di nozzle.
7. Pressure drop pada rotor diabaikan untuk model impulse ideal.
8. Blade speed dianggap konstan pada mean radius.
9. Radial velocity variation pada model awal diabaikan.
10. Heat loss dari casing dianggap kecil.
11. Bearing losses belum dimasukkan pada first-order model.
12. Efek moisture dapat dimasukkan pada model lanjutan.
13. Scaling dan erosion belum dimasukkan ke model ideal awal tetapi digunakan sebagai reliability constraint.

Asumsi ini merupakan idealization.

2. FIRST-PRINCIPLES ANALYSIS

2.1 Conservation of Mass

Untuk steady-flow:

m=AV

atau:

m=AVv

dengan:

• m = mass flow rate,
• A = flow area,
• V = flow velocity,
• v = specific volume.

2.2 Conservation of Momentum

Torque akibat perubahan angular momentum:

T=m(r1V1−r2V2)

Jika radius rata-rata dianggap sama:

T=mr(V1−V2)

Persamaan ini menunjukkan bahwa desain sudu harus menghasilkan perubahan komponen tangensial kecepatan yang optimal.

2.3 Euler Turbine Equation

Specific work:

w=U1V1−U2V2

dan:

P=mw

Persamaan ini merupakan hubungan utama antara velocity triangle, blade speed, perubahan momentum sudut, dan power.

3. VELOCITY TRIANGLE

Velocity triangle digunakan untuk memahami hubungan antara:

• absolute velocity V,
• blade velocity U,
• relative velocity W.

Hubungan vektor:

V=U+W

Untuk impulse turbine, steam memasuki rotor dengan velocity V1 yang dihasilkan oleh nozzle.

Kemudian rotor mengubah arah aliran sehingga:

V1V2

Perubahan tersebut menghasilkan torque.

4. BLADE SPEED RATIO

Salah satu parameter penting adalah:

=UV1

dengan:

• U = blade speed,
• V1 = absolute steam velocity entering rotor.

Pada kondisi ideal tertentu untuk impulse turbine sederhana dengan symmetric blade dan kondisi ideal, maximum work dapat dicapai ketika blade speed berada pada fraksi tertentu dari jet speed. Dalam praktik, kondisi optimum bergeser karena friction, nozzle losses, blade losses, exit velocity, dan faktor lainnya.

Karena itu, engineer tidak boleh menggunakan satu angka teoritis tanpa memperhitungkan losses.

5. PENGARUH SUDU TURBIN

5.1 Blade Angle

Blade angle menentukan arah steam ketika masuk dan keluar rotor.

Jika blade angle tidak sesuai dengan velocity triangle:

Incidence loss

dan:

Sebaliknya, blade angle yang sesuai akan meningkatkan perubahan momentum tangensial.

5.2 Blade Profile

Profil sudu memengaruhi:

• pressure distribution,
• boundary layer,
• flow separation,
• friction loss,
• trailing-edge loss.

Profil yang buruk dapat menyebabkan:

Loss

dan:

5.3 Blade Height

Luas flow passage secara sederhana berkaitan dengan:

A2rh

Semakin besar blade height, semakin besar flow area yang tersedia.

Namun blade height harus disesuaikan dengan:

m, , V, r

agar flow velocity dan blade loading tetap sesuai.

5.4 Chord dan Pitch

Solidity:

=cs

dengan:

• c = chord,
• s = blade pitch.

Jika solidity terlalu kecil, setiap sudu harus menghasilkan turning yang besar.

Jika terlalu besar, wetted area meningkat sehingga friction loss dapat meningkat.

5.5 Jumlah Sudu

Jumlah sudu memengaruhi:

• flow passage,
• blade loading,
• friction,
• mass,
• vibration,
• manufacturing complexity.

Jumlah sudu harus ditentukan melalui optimasi antara aerodynamic performance dan structural requirement.

6. PENGARUH SUDU TERHADAP TORQUE

Dari:

T=mr(V1−V2)

dapat dilihat bahwa semakin efektif sudu mengubah momentum tangensial:

V1−V2

maka:

T

dan:

P=T

sehingga:

P

Namun peningkatan turning tidak boleh dilakukan tanpa batas karena turning angle yang terlalu besar dapat meningkatkan flow separation dan aerodynamic losses.

7. PENGARUH SUDU TERHADAP EFFICIENCY

Efficiency turbin dapat dinyatakan:

t=WactualWisentropic

Dalam kondisi geothermal, moisture dapat menjadi faktor penting. Steam yang semakin basah dapat meningkatkan risiko erosion dan menurunkan turbine performance. Literatur geothermal melaporkan bahwa moisture merupakan salah satu faktor yang berkontribusi terhadap penurunan turbine efficiency. (Zarrouk & Moon, 2014).

Oleh karena itu:

Blade design+Steam qualityTurbine efficiency

8. PENGARUH MOISTURE

Steam geothermal dapat memasuki kondisi wet steam selama ekspansi.

Droplet liquid berkecepatan tinggi dapat menyebabkan erosion pada blade.

Akibatnya:

Blade surface degradationProfile changeFlow loss

Oleh karena itu, desain blade harus mempertimbangkan steam quality dan moisture separator/drainage system pada plant.

9. PENGARUH SILICA DAN SCALING

Geothermal fluid dapat membawa dissolved minerals. Silica deposition merupakan salah satu masalah penting dalam geothermal surface equipment.

Scaling dapat menyebabkan:

Aflow

sehingga:

V

atau distribusi aliran menjadi tidak sesuai dengan desain.

Akibat berikutnya:

Ploss

dan:

Pout

Studi simulasi pada geothermal turbine menunjukkan bahwa scale deposition dapat menurunkan output capacity dan efficiency turbine. (Kubiak & Urquiza-Beltrán, 2002).

10. PEMILIHAN MATERIAL SUDU

Pemilihan material harus mempertimbangkan:

• temperature,
• pressure,
• corrosion,
• erosion,
• fatigue,
• creep jika temperatur signifikan,
• moisture,
• mineral deposition.

Pemilihan material pada geothermal system perlu mempertimbangkan karakteristik geofluid karena komposisi fluida dapat berbeda antar lokasi. Material selection dan corrosion-resistant coating merupakan salah satu strategi pengendalian corrosion. (U.S. Department of Energy, 2010).

11. PENGARUH CLEARANCE

Terdapat celah antara blade tip dan casing.

Jika clearance terlalu besar:

Tip leakage

sehingga:

Namun clearance tidak dapat dibuat nol karena rotor membutuhkan ruang untuk:

• thermal expansion,
• mechanical tolerance,
• vibration,
• manufacturing tolerance.

Dengan demikian, clearance merupakan optimization problem antara aerodynamic efficiency dan mechanical safety.

12. COMPARISON: IMPULSE VS REACTION

Parameter	Impulse	Reaction
Pressure drop stator	Besar	Ada
Pressure drop rotor	≈ 0	Ada
Degree of reaction	R0​	R>0​
Rotor berfungsi sebagai nozzle	Tidak secara ideal	Ya
Blade profile	Penting	Sangat penting
Stage work	Relatif besar	Cenderung lebih kecil per stage
Number of stages	Dapat lebih sedikit untuk pressure drop tertentu	Cenderung lebih banyak
Sealing	Relatif lebih sederhana	Lebih kritis
Moisture	Tetap harus dikontrol	Tetap harus dikontrol
Scaling	Masalah utama geothermal	Masalah utama geothermal
Application	Cocok untuk steam/flash study	Juga memungkinkan
Focus proyek	Dipilih	Pembanding

Literatur turbomachinery menunjukkan bahwa degree of reaction merupakan parameter penting untuk menentukan distribusi enthalpy/pressure drop antara stator dan rotor. Impulse stage memiliki pressure drop utama pada nozzle, sedangkan reaction stage membagi pressure drop antara nozzle dan rotor. (NPTEL, n.d.; MIT OpenCourseWare, 2012).

13. INSTRUCTION SET

Tahapan penyelesaian proyek dirancang sebagai berikut.

Step 1 — Menentukan kondisi geothermal resource

Data yang dibutuhkan:

Pin, Tin, m, xin, Pout

Jika steam quality tersedia:

x=mvapormtotal

Step 2 — Menentukan jenis PLTP

Tentukan apakah sistem:

• dry steam,
• single flash,
• double flash,
• atau binary cycle.

Untuk proyek ini dipilih:

Dry/Flash Steam PLTP

sehingga steam menjadi working fluid turbin.

Step 3 — Menentukan jenis turbine

Berdasarkan pressure drop distribution:

R0

dipilih:

Impulse Turbine

Step 4 — Menentukan stage pressure ratio

Jika total pressure ratio besar, pressure drop dibagi menjadi beberapa stage.

Tujuannya:

• mengurangi excessive velocity,
• mengurangi blade speed requirement,
• mengontrol stage loading,
• meningkatkan overall efficiency.

Step 5 — Menghitung nozzle exit velocity

Secara ideal:

V1=2hnozzle

Untuk kondisi nyata dapat digunakan nozzle efficiency:

n=Vactual2Videal2

sehingga:

Vactual=n Videal

Step 6 — Membuat velocity triangle

Tentukan:

V1, U, W1, V2, W2

serta:

1, 2, 1, 2

Step 7 — Menghitung specific work

Gunakan:

w=U(V1−V2)

untuk kondisi mean radius dan U1U2.

Step 8 — Menghitung torque

T=mr(V1−V2)

Step 9 — Menghitung power

P=T

atau:

P=mw

Step 10 — Mengevaluasi efficiency

Bandingkan:

Wactual

dengan:

Wisentropic

untuk mendapatkan:

t=WactualWisentropic

Step 11 — Evaluasi Blade

Parameter yang dievaluasi:

• blade angle,
• chord,
• blade height,
• pitch,
• solidity,
• number of blades,
• tip clearance,
• blade thickness,
• material.

Step 12 — Structural Check

Blade harus diperiksa terhadap:

Centrifugal stress

c

Bending stress

b

Combined stress

total=c+b

Kemudian:

FoS=allowabletotal

dengan target safety factor yang sesuai dengan standard dan design practice yang digunakan.

Step 13 — Reliability Check

Periksa:

• erosion,
• scaling,
• corrosion,
• fatigue,
• vibration,
• thermal expansion,
• tip clearance.

Step 14 — Numerical Simulation

Model dapat dikembangkan menggunakan:

MATLAB/Python

Untuk:

• thermodynamic calculation,
• velocity triangle,
• parameter sweep,
• optimization.

CFD

Untuk:

• pressure distribution,
• velocity field,
• blade loading,
• turbulence,
• flow separation,
• scaling sensitivity.

FEA

Untuk:

• stress,
• deformation,
• modal analysis,
• fatigue assessment.

14. PROSES ITERATIF

Desain tidak dianggap selesai dalam satu perhitungan.

Siklus desain:

InputAnalysisResultEvaluationModificationRe-analysis

Contoh:

Jika blade angle menghasilkan:

=75%

maka dilakukan modifikasi:

1,2

kemudian simulasi kembali.

Target:

new>old

dengan tetap memenuhi:

<allowable

dan:

FoS>FoSmin

H. HASIL DAN DISKUSI

1. Hasil Konseptual

Hasil utama proyek adalah sebuah konsep axial-flow impulse steam turbine untuk PLTP berbasis dry-steam/flash-steam.

Konfigurasi:

Geothermal WellSeparatorSteam LineNozzleImpulse StagesCondenserGenerator

Untuk flash-steam plant, separator berfungsi memisahkan steam dari geothermal liquid sebelum steam diarahkan ke turbine. Flash-steam merupakan salah satu konfigurasi utama pembangkit geothermal. (U.S. Department of Energy, 2026).

2. Hubungan Pressure–Velocity–Torque

Hubungan utama dapat dituliskan:

PpressureVsteamVFtTPshaft

Dengan:

Ft=m(V1−V2)

dan:

T=Ftr

serta:

P=T

Dengan demikian, perubahan desain sudu akan memengaruhi seluruh rantai konversi energi tersebut.

3. Pengaruh Blade Angle

Blade angle yang tepat dapat meningkatkan perubahan momentum tangensial.

Jika:

V1−V2

maka:

T

dan:

P

Tetapi blade angle yang terlalu agresif dapat menyebabkan:

• flow separation,
• high local losses,
• excessive loading,
• vibration.

Maka target desain bukan sekadar membuat perubahan arah aliran sebesar mungkin, tetapi mencapai optimum blade turning dengan minimum aerodynamic loss.

4. Pengaruh Blade Speed

Blade speed:

U=r

harus disesuaikan dengan steam velocity.

Jika:

UV1

steam memiliki kinetic energy tinggi tetapi pemanfaatannya oleh rotor belum optimal.

Jika:

UV1

relative flow condition dapat menjadi tidak menguntungkan dan mechanical stress dapat meningkat.

Oleh karena itu:

UV1

menjadi salah satu parameter penting dalam desain.

5. Pengaruh Jumlah Stage

Satu stage tidak selalu mampu menangani keseluruhan pressure drop secara optimal.

Jika:

Ptotal

maka penggunaan multiple stages dapat digunakan.

Keuntungan:

• mengontrol steam velocity,
• mengurangi excessive blade speed,
• membagi energy extraction,
• mengurangi stage loading.

Namun terlalu banyak stage meningkatkan:

• cost,
• size,
• friction losses,
• maintenance,
• manufacturing complexity.

Maka jumlah stage merupakan trade-off engineering.

6. Pengaruh Geothermal Scaling

Scaling menjadi salah satu masalah khusus PLTP.

Jika deposit terbentuk:

Aflow

dan permukaan blade/nozzle menjadi lebih kasar.

Akibatnya:

Loss

dan:

Literatur menunjukkan bahwa deposit silica dan calcium carbonate dapat terbentuk pada geothermal turbine system dan menurunkan output serta efficiency. (Kubiak & Urquiza-Beltrán, 2002).

Karena itu, desain harus mempertimbangkan:

• steam purification,
• moisture separation,
• chemical control,
• inspection,
• cleaning,
• material selection.

7. Pengaruh Moisture

Moisture meningkatkan risiko:

erosion

dan dapat menurunkan efficiency.

Karena itu, steam quality perlu dikontrol sepanjang steam path.

Jika moisture semakin tinggi:

x

maka risiko blade damage meningkat.

Hal tersebut menjadi alasan bahwa kondisi inlet dan outlet steam harus dianalisis bersamaan dengan desain blade.

8. Performance Trade-Off

Desain optimal dapat digambarkan:

PowerEfficiencyReliabilityCost

Contohnya:

Blade yang sangat tipis:

Aerodynamic performance

tetapi:

Structural strength

Blade yang terlalu tebal:

Structural strength

tetapi:

Aerodynamic loss

Karena itu desain harus mencari kondisi optimum.

9. Evaluasi Terhadap Reaction Turbine

Reaction turbine dapat memberikan efficiency stage yang baik karena pressure drop juga terjadi pada rotor. Akan tetapi, reaction stage memerlukan pengendalian leakage, sealing, blade geometry, dan pressure distribution yang lebih kompleks.

Impulse turbine dipilih dalam proyek ini bukan karena reaction turbine tidak mampu digunakan, melainkan karena konfigurasi impulse memberikan pendekatan yang sesuai untuk studi steam geothermal dengan pressure drop utama yang dikontrol pada nozzle.

Secara konseptual:

ImpulseR0

sedangkan:

ReactionR>0

Pemilihan final pada plant nyata tetap memerlukan techno-economic study dan detailed turbine design.

10. Keterbatasan Studi

Studi ini mempunyai beberapa keterbatasan:

1. Tidak menggunakan data reservoir PLTP tertentu.
2. Tidak menggunakan steam table/property package aktual dalam perhitungan numerik.
3. Moisture belum dimodelkan sebagai two-phase CFD.
4. Scaling belum dimodelkan secara transient.
5. Structural stress belum dihitung menggunakan FEA.
6. Vibration dan rotordynamics belum dianalisis secara detail.
7. Economic analysis belum dilakukan secara lengkap.
8. Efisiensi generator dan mechanical losses belum dimasukkan dalam first-order model.
9. Kondisi off-design belum dianalisis.
10. Efek non-condensable gas belum dimodelkan secara detail.

Oleh karena itu, hasil proyek harus dipahami sebagai conceptual engineering design, bukan final design untuk manufacturing atau plant procurement.

I. KESIMPULAN, PENUTUP, DAN REKOMENDASI

1. Kesimpulan

Berdasarkan pendekatan DAI5, turbin impuls pada PLTP dapat dipahami sebagai suatu sistem engineering yang tidak berdiri sendiri, tetapi merupakan hasil penerapan bertingkat dari first principles hingga desain dan operasi turbin.

Hubungan tersebut dapat dirangkum:

First PrinciplesRotodynamic MachineryTurbineImpulse/ReactionBlade DesignPower

Turbin impuls dibedakan dari turbin reaksi terutama berdasarkan distribusi pressure/enthalpy drop. Pada impulse turbine, pressure drop utama terjadi pada nozzle/stator dan rotor secara ideal tidak mengalami pressure drop yang signifikan. Degree of reaction mendekati:

R0

Sedangkan pada reaction turbine, sebagian pressure/enthalpy drop terjadi pada rotor sehingga:

R>0

Dalam studi ini, turbin impuls dipilih sebagai konfigurasi konseptual untuk PLTP berbasis dry-steam/flash-steam karena pressure drop dapat dikontrol melalui nozzle sebelum steam memasuki rotor sebagai high-velocity flow. Namun, pemilihan impulse tidak bersifat universal karena desain aktual harus mempertimbangkan kondisi resource, steam quality, pressure ratio, moisture, scaling, efficiency, maintenance, dan biaya.

Sudu menjadi salah satu komponen paling penting karena perubahan geometri sudu memengaruhi perubahan momentum tangensial, torque, power, dan efficiency. Parameter seperti blade angle, blade profile, blade height, chord, pitch, number of blades, blade speed, dan tip clearance harus dioptimalkan secara simultan.

Selain faktor aerodinamis, PLTP memiliki tantangan khusus berupa moisture, silica/mineral scaling, erosion, dan corrosion. Oleh karena itu, desain sudu harus mengintegrasikan aspek fluid dynamics, thermodynamics, structural mechanics, materials engineering, maintenance, dan sustainability.

2. Penutup

Penerapan DAI5 membuat proses desain tidak dimulai langsung dari persamaan, melainkan dari kesadaran terhadap tujuan penggunaan ilmu, kemudian diterjemahkan menjadi niat, pemahaman masalah, idealisasi, dan prosedur penyelesaian.

Dengan demikian, tujuan engineer bukan hanya:

Maximum Power

tetapi:

Useful+Safe+Reliable+Efficient+Sustainable

Keseluruhan proses tersebut dilakukan dengan tetap menyadari bahwa hukum-hukum fisika yang digunakan dalam engineering merupakan bagian dari keteraturan alam yang perlu dipelajari dan dimanfaatkan secara bertanggung jawab.

3. Rekomendasi

Untuk pengembangan berikutnya disarankan:

1. Menggunakan data aktual PLTP seperti pressure, temperature, mass flow, steam quality, dan chemical composition.
2. Menggunakan REFPROP, CoolProp, atau steam table untuk memperoleh thermodynamic properties.
3. Melakukan desain velocity triangle secara numerik.
4. Mengembangkan model MATLAB/Python untuk optimasi blade angle dan blade speed ratio.
5. Melakukan CFD untuk menganalisis pressure dan velocity distribution.
6. Melakukan FEA untuk centrifugal stress dan bending stress.
7. Melakukan modal analysis untuk mengetahui natural frequency.
8. Menganalisis erosion akibat moisture.
9. Memodelkan silica scaling secara lebih detail.
10. Melakukan techno-economic analysis untuk membandingkan impulse dan reaction turbine.
11. Melakukan sensitivity analysis terhadap pressure, temperature, mass flow, dan steam quality.
12. Mengembangkan digital twin untuk monitoring kondisi blade dan predictive maintenance.

J. UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Allah SWT kesempatan dan kemampuan untuk mempelajari serta memahami fenomena engineering dalam proyek ini.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Prof. DAI yang telah mengajari saya mengenai Sistem Konversi Energi. Semoga proyek ini dapat memberikan manfaat dalam memahami penerapan turbomachinery, geothermal power generation, dan kerangka berpikir DAI 5 secara terintegrasi.

K. REFERENSI YANG DIKUTIP

Kubiak, J. A., & Urquiza-Beltrán, G. (2002). Simulation of the effect of scale deposition on a geothermal turbine. Geothermics, 31(5), 545–562. https://doi.org/10.1016/S0375-6505(02)00013-5

Massachusetts Institute of Technology OpenCourseWare. (2012). Lecture 27: Turbines; stage characteristics; degree of reaction. MIT OpenCourseWare.

National Programme on Technology Enhanced Learning. (n.d.). Fluid machinery: Degree of reaction. Indian Institute of Technology.

U.S. Department of Energy. (2010). Water use in the development and operations of geothermal power plants. U.S. Department of Energy.

U.S. Department of Energy. (2026). Geothermal electricity generation. U.S. Department of Energy, Office of Geothermal Technologies.

Universitas Indonesia, Fakultas Teknik. (2025). Padukan sains dan keimanan, Guru Besar UI kenalkan konsep “DAI5 CFD” dalam memahami realitas hakiki. Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Zarrouk, S. J., & Moon, H. (2014). Efficiency of geothermal power plants: A worldwide review. Geothermics, 51, 142–153. https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2013.11.001

L. LAMPIRAN

Lampiran A — Ringkasan Alur DAI5

Deep Awareness of I

↓

Intention

↓

Initial Thinking

↓

Idealization

↓

Instruction Set

↓

Engineering Solution

Lampiran B — Alur Sistem Turbin Impuls PLTP

       GEOTHERMAL RESERVOIR
                ↓
        PRODUCTION WELL
                ↓
          STEAM SEPARATOR
                ↓
          STEAM CONDITIONING
                ↓
              NOZZLE
                │
      Pressure ↓ / Velocity ↑
                ↓
          IMPULSE ROTOR
                │
      Momentum Change
                ↓
            TORQUE
                ↓
              SHAFT
                ↓
            GENERATOR
                ↓
          ELECTRICITY
                ↓
            CONDENSER

Lampiran C — Hubungan Parameter Sudu

, c, s, h, N, r, U

mempengaruhi:

V1,V2

mempengaruhi:

T

mempengaruhi:

P=T

mempengaruhi:

, reliability, life

Lampiran D — Matriks Pemetaan 33 DAI5 Implementation Evaluation Criteria

Kriteria 33 DAI5 tidak ditampilkan sebagai label yang memutus alur pembahasan utama, tetapi ditanamkan secara implisit dalam isi laporan. Pemetaan berikut menunjukkan lokasi setiap kriteria sehingga evaluator dapat mengetahui keberadaannya.

No.	Kriteria DAI5	Bagian Laporan
1	Consciousness of Purpose	E.1 Deep Awareness
2	Self-awareness	E.1 dan F.2
3	Ethical Considerations	E.1, E.2, H, I
4	Integration of CCIT	E.1, E.2, I
5	Critical Reflection	H.8, H.9, I
6	Continuum of Awareness	E → F → G → H → I
7	Clarity of Intent	E.2
8	Alignment of Objectives	E.2 dan F
9	Relevance of Intent	E.2 dan F.2
10	Sustainability Focus	E.1, F.3, H, I
11	Focus on Quality	E.2, G, H
12	Problem Understanding	F.2
13	Stakeholder Awareness	F.3
14	Contextual Analysis	F.1–F.3
15	Root Cause Analysis	F.4
16	Relevance of Analysis	F.2, G, H
17	Use of Data and Evidence	F.1, F.4, K
18	Assumption Clarity	G.1
19	Creativity and Innovation	G.14, H.10, I.3
20	Physical Realism	G.1–G.3
21	Alignment with Intent	G dan I
22	Scalability and Adaptability	G.4, G.14, I.3
23	Simplicity and Elegance	G.1, G.2, G.14
24	Clarity of Steps	G.2 Instruction Set
25	Comprehensiveness	G.2–G.14
26	Physical Interpretation	H.2–H.8
27	Error Minimization	G.10–G.13
28	Verification and Validation	G.10–G.14
29	Iterative Approach	G.14
30	Sustainability Integration	E, F.3, G.13, H.6, I
31	Communication Effectiveness	Seluruh struktur laporan
32	Alignment with DAI5 Framework	E–I dan Lampiran A
33	Documentation Quality	Seluruh laporan dan Lampiran

Lampiran E — Peta Hubungan DAI5 dengan Engineering Problem

DAI5	Pertanyaan Utama	Penerapan pada Proyek
Deep Awareness of I	Mengapa ilmu ini dipelajari?	Memahami energi dan memanfaatkannya secara bertanggung jawab
Intention	Apa tujuan yang ingin dicapai?	Turbin efisien, aman, andal, dan berkelanjutan
Initial Thinking	Apa masalah sebenarnya?	Pemilihan turbine dan optimasi blade pada kondisi geothermal
Idealization	Bagaimana masalah disederhanakan?	Steady-flow, adiabatic, impulse stage, velocity triangle
Instruction Set	Bagaimana solusi dilakukan?	Thermodynamic analysis → velocity triangle → blade design → power → efficiency → validation

Lampiran F — Persamaan Utama

Conservation of Mass

m=AV

Turbine Power

W=m(h1−h2)

Euler Turbine Equation

w=U1V1−U2V2

Torque

T=m(r1V1−r2V2)

Shaft Power

P=T

Degree of Reaction

R=hrotorhstator+hrotor

Blade Speed

U=r

Blade Speed Ratio

=UV1

Solidity

=cs

Turbine Efficiency

t=WactualWisentropic

Factor of Safety

FoS=allowableactual

Lampiran G — Kriteria Keberhasilan Desain

Desain konseptual dianggap memenuhi tujuan apabila:

PoutputPrequired

ttarget

actual<allowable

FoSFoSminimum

dan secara operasional:

Erosion, Scaling, Vibration, Leakagedalam batas yang dapat diterima

Dengan demikian, keberhasilan desain tidak hanya ditentukan oleh power output, tetapi oleh kombinasi performance, efficiency, safety, reliability, maintainability, sustainability, dan engineering responsibility.

PENUTUP 

Mohon maaf apabila masih terdapat kesalahan dalam penyusunan laporan, baik dalam perhitungan, penulisan, maupun penyampaian materi. Saya menyadari bahwa laporan ini masih memiliki keterbatasan dan masih dapat dikembangkan lebih lanjut melalui simulasi yang lebih detail maupun pengujian eksperimental.

wassalamualaikum warahmatullahi wabarakatuh