Tugas Besar Laporan Merancang Turbin Kaplan – Darryl Leonard W W SKE 01
بِسْمِ اللَّهِ الرَّحْمَنِ الرَّحِيم
السَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ
Perkenalkan, saya Darryl Leonard William Wijaya (NPM 2406352821), mahasiswa Teknik Mesin. Dalam blog ini, saya memaparkan laporan Perancangan dan Analisis Turbin Kaplan guna memenuhi Tugas Besar mata kuliah Sistem Konversi Energi sekaligus mengulas penerapannya secara praktis untuk elektrifikasi kawasan terpencil.
A. PROJECT TITLE
ANALISIS DAN PERANCANGAN TURBIN KAPLAN UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO PADA SUNGAI TERBUKA MENGGUNAKAN KERANGKA DAI5
B. AUTHOR COMPLETE NAME
Darryl Leonard William Wijaya (NPM: 2406352821)
C. AFFILIATION
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
D. ABSTRACT
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) merupakan salah satu teknologi energi terbarukan yang sesuai untuk wilayah dengan sumber daya sungai dan keterbatasan akses listrik. Penelitian ini bertujuan melakukan analisis dan perancangan awal turbin Kaplan menggunakan kerangka DAI5 pada kondisi low-to-medium head dan debit relatif besar. Parameter desain meliputi gross head 12 m, head loss awal 1,5 m, debit desain 1,5 m³/s, dan rentang debit 0,8–2,0 m³/s. Hasil analisis menghasilkan net head 10,5 m, daya hidraulik 154,51 kW, daya poros 139,06 kW, dan daya listrik 121,54 kW. Turbin dirancang pada 500 rpm dengan runner berdiameter tip 0,754 m, diameter hub 0,302 m, dan enam bilah. Analisis variasi debit menunjukkan efisiensi maksimum 90% pada debit 1,5 m³/s. Hasil ini menunjukkan bahwa desain awal turbin Kaplan berpotensi diterapkan pada sistem PLTMH dengan karakteristik low-to-medium head dan debit relatif besar.
E. AUTHOR DECLARATION
1. Deep Awareness (of) I
Analisis rekayasa (engineering analysis) tidak hanya merupakan proses perhitungan matematis, tetapi juga bentuk tanggung jawab dalam menggunakan ilmu dan sumber daya secara benar. Penulis menyadari bahwa keteraturan mekanika fluida, energi potensial air, dan proses konversi energi pada turbin Kaplan merupakan bagian dari hukum alam (Sunnatullah) yang ditetapkan oleh Tuhan Yang Maha Esa. Kesadaran ini melalui prinsip DAI5 menjadi landasan integritas penulis dalam menjalankan proses perancangan secara jujur, bertanggung jawab, dan berkelanjutan.
Kesadaran tersebut diterapkan dalam beberapa aspek:
- Ketelitian perhitungan, karena kesalahan pada parameter head, debit, kecepatan aliran, maupun geometri runner dapat memengaruhi kinerja dan kestabilan sistem.
- Kejujuran terhadap data dengan membedakan data awal, asumsi engineering, dan hasil perhitungan.
- Tidak memanipulasi hasil untuk menghasilkan performa turbin yang melebihi batas fisik dan hukum konservasi energi.
- Tanggung jawab terhadap keselamatan operasional, keandalan sistem, dan keberlanjutan pasokan listrik bagi masyarakat.
- Mempertimbangkan dampak pemanfaatan aliran sungai terhadap ekosistem serta keberlanjutan sumber daya air.
- Mengakui keterbatasan model, data, dan metode analisis yang digunakan dalam tahap perancangan awal.
2. Intention of the Project Activity
Tujuan esensial dari tugas besar ini adalah mengaplikasikan teori turbomachinery dan mekanika fluida untuk merancang sistem PLTMH berbasis turbin Kaplan yang mampu memanfaatkan energi aliran sungai secara efisien, aman, berkelanjutan, dan mudah dirawat. Proyek ini diniatkan untuk menghasilkan rancangan awal yang tidak hanya memenuhi aspek teknis, tetapi juga mempertimbangkan manfaat jangka panjang bagi masyarakat dan lingkungan.
Secara khusus, proyek ini bertujuan untuk:
- Memahami prinsip kerja turbin reaksi aliran aksial (Kaplan turbine).
- Menentukan parameter operasional berdasarkan head dan debit rancangan.
- Menentukan net head, daya hidraulik, daya poros, daya listrik, dan efisiensi sistem.
- Menentukan RPM serta dimensi awal runner Kaplan.
- Menganalisis segitiga kecepatan dan hubungan antara guide vane, runner, dan aliran keluar.
- Merancang konsep awal penstock dan sistem pembangkitan yang kompatibel dengan kondisi operasi.
- Melakukan iterasi dan analisis sensitivitas terhadap perubahan debit dan head.
- Melakukan pemeriksaan awal terhadap kavitasi, reliability, dan kebutuhan maintenance.
- Mengintegrasikan aspek sustainability, keselamatan, kemudahan perawatan, dan etika engineering dalam proses perancangan.
F. INTRODUCTION
- Infrastruktur energi pedesaan di sekitar sungai sering memiliki keterbatasan akses listrik, sementara tersedia sumber daya air dengan karakteristik low-to-medium head dan debit relatif besar. Turbin Kaplan sesuai untuk kondisi low head–high flow karena menggunakan double regulation melalui guide vane dan adjustable runner blade. Sebagai turbin reaksi, energi air dikonversikan melalui guide vane, runner, dan draft tube. Pada kondisi desain dengan gross head 12 m, head loss 1,5 m, dan debit 1,5 m³/s, diperoleh net head 10,5 m dan daya hidraulik 154,51 kW. Dengan efisiensi turbin 90%, mekanis 95%, dan generator 92%, daya listrik yang dihasilkan sekitar 121,54 kW.
2. Engineering Problem
Berdasarkan latar belakang tersebut, terdapat beberapa parameter kunci yang menentukan keberhasilan konversi energi, kestabilan operasi, dan keandalan sistem. Permasalahan engineering yang diselesaikan meliputi:
- Bagaimana menentukan efisiensi konversi daya hidraulik dari debit desain
1,5 m³/sdan net head10,5 m? - Bagaimana menentukan putaran (RPM) yang sinkron langsung dengan frekuensi generator
50 Hztanpa gearbox? - Bagaimana menentukan diameter tip runner
(Dt)dan diameter hub(Dh)? - Bagaimana menentukan jumlah bilah runner
(Z)dan rasio hub-to-tip agar diperoleh luas aliran yang sesuai? - Bagaimana menyusun segitiga kecepatan (velocity triangle) pada inlet dan outlet runner?
- Bagaimana menentukan sudut guide vane dan sudut blade pitch agar aliran memasuki runner dengan kondisi yang sesuai?
- Bagaimana mengevaluasi performa turbin pada variasi debit
0,8–2,0 m³/s? - Bagaimana melakukan pemeriksaan awal terhadap potensi kavitasi?
- Bagaimana menyusun sistem yang tetap dapat dirawat dan dioperasikan oleh masyarakat atau teknisi lokal di wilayah pedesaan?
- Bagaimana memvalidasi bahwa desain awal ini fisibel sebelum dilakukan CFD, FEA, dan pengujian eksperimental?
3. Initial Thinking
a. Systematic Problem Analysis
Alur konversi energi pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro berbasis turbin Kaplan dirumuskan sebagai:
Energi Potensial Air Sungai → Energi Tekanan & Kinetik → Guide Vane → Impuls/Reaksi pada Runner Kaplan → Shaft Power → Generator Sinkron AC
Setiap tahap memiliki kerugian (losses), sehingga:
Daya Listrik < Daya Poros < Daya Hidraulik
Sistem secara keseluruhan dapat direpresentasikan sebagai:
Sungai → Intake → Trash Rack → Desander → Headrace/Forebay → Penstock → Guide Vane → Kaplan Runner → Draft Tube → Generator → Beban
Selain kehilangan energi pada turbin, sistem juga harus mempertimbangkan kehilangan pada penstock, mechanical losses, generator losses, sedimentasi, debris, dan potensi kavitasi.
b. Problem Decomposition
Masalah utama dibagi menjadi elemen analisis berikut:
- Penentuan parameter input lingkungan sungai
(Hg=12 m, Qd=1,5 m³/s). - Penentuan net head setelah memperhitungkan head loss.
- Analisis daya hidraulik dan efisiensi konversi energi.
- Penentuan RPM turbin dan konfigurasi generator.
- Desain dimensi runner Kaplan.
- Penentuan jumlah bilah dan rasio hub-to-tip.
- Pemodelan velocity triangle pada mid-span.
- Analisis specific speed untuk memvalidasi pemilihan Kaplan.
- Analisis penstock dan kehilangan energi.
- Evaluasi performa pada variasi debit.
- Pemeriksaan awal kavitasi.
- Evaluasi reliability, maintenance, dan keberlanjutan sistem.
- Pemodelan analitik dan pengembangan lanjutan menggunakan MATLAB/CFD.
c. Fundamental Principles
Berangkat dari core layer analisis turbomachinery (First Principles), penyelesaian dibangun dari:
- Conservation of Mass (Continuity): digunakan untuk menentukan luas penampang aliran dan diameter runner.
Q = A⋅Vf
- Energi Hidraulik:
Ph = ρ⋅g⋅Q⋅Hn
- Persamaan Euler Turbine:
ΔE = U1Vw1 − U2Vw2
yang menggambarkan transfer energi spesifik akibat perubahan momentum sudut aliran.
- Sinkronisasi Generator:
N = 120f/P
- Darcy-Weisbach: digunakan untuk memperkirakan kehilangan energi sepanjang penstock.
hf = f(L/D)(V²/2g)
d. Root Cause Analysis
Permasalahan utama PLTMH pedesaan tidak hanya terkait produksi daya, tetapi juga efisiensi, reliability, maintainability, dan keberlanjutan sistem. Variasi debit 0,8–2,0 m³/s memengaruhi net head, kecepatan aliran, daya hidraulik, dan kondisi masuk runner. Selain itu, pasir dan debris sungai dapat menyebabkan penyumbatan trash rack, erosi blade, dan gangguan guide vane, sehingga intake, trash rack, dan desander menjadi bagian penting dalam sistem.
Turbin Kaplan dipilih karena sesuai untuk kondisi low head–high flow dan memiliki kemampuan double regulation melalui guide vane dan adjustable runner blade. Sistem menggunakan konfigurasi direct-coupled dengan generator sinkron 12 kutub pada 500 RPM untuk mengurangi komponen transmisi dan kebutuhan perawatan.
e. State of the Art
Perancangan turbin Kaplan umumnya menggunakan korelasi empiris, specific speed, dan data performa, sedangkan metode modern memanfaatkan CFD untuk menganalisis karakteristik aliran, blade loading, flow separation, dan cavitation. Pada tahap preliminary design, pendekatan analitik 1-D yang didukung velocity triangle, specific speed, dan MATLAB digunakan untuk menentukan konfigurasi awal.
Hasil desain menghasilkan runner berdiameter tip 0,754 m, diameter hub 0,302 m, enam bilah, dan kecepatan operasi 500 RPM, dengan specific speed sekitar 312. Validasi lanjutan melalui CFD, FEA, analisis water hammer, pemeriksaan kavitasi, dan pengujian prototipe tetap diperlukan sebelum fabrikasi.
G. METHODS & PROCEDURES
1. Desain Input
Analisis dilakukan menggunakan parameter desain PLTMH pada sungai terbuka dengan karakteristik low-to-medium head dan debit relatif besar. Parameter utama yang digunakan adalah:
| Parameter | Symbol | Nilai | Unit |
|---|---|---|---|
| Gross head | Hg | 12 | m |
| Initial head loss | hL | 1,5 | m |
| Design flow | Q | 1,5 | m³/s |
| Flow range | Q | 0,8–2,0 | m³/s |
| Water density | ρ | 1000 | kg/m³ |
| Gravity | g | 9,81 | m/s² |
| Turbine speed | N | 500 | rpm |
| Turbine efficiency | ηt | 90 | % |
| Mechanical efficiency | ηm | 95 | % |
| Generator efficiency | ηg | 92 | % |
| Hub-to-tip ratio | Dh/Dt | 0,40 | – |
| Number of blades | Z | 6 | – |
Parameter tersebut digunakan sebagai basis preliminary design turbin Kaplan.
2. Idealization
Sistem nyata disederhanakan menjadi model 1-D untuk memperoleh dimensi awal runner dan kondisi operasi.
Asumsi utama:
- Air dianggap inkompresibel dan aliran dianggap steady pada kondisi desain.
- Distribusi aliran dianalisis menggunakan pendekatan 1-D.
- Efisiensi turbin 90% digunakan sebagai asumsi preliminary design.
- Rasio hub-to-tip ditetapkan sebesar 0,40.
- Kecepatan aksial pada runner diasumsikan 4 m/s.
- Turbin dan generator menggunakan konfigurasi direct drive.
Model sistem:
River → Intake → Trash Rack → Desander → Penstock → Guide Vane → Kaplan Runner → Draft Tube → Generator → Load
Pendekatan ini digunakan untuk memperoleh desain awal sebelum dilakukan CFD, FEA, dan pengujian eksperimental.
3. Fundamental Equations
Perhitungan utama dibangun dari empat kelompok persamaan.
| Kelompok | Parameter | Perhitungan | Hasil |
|---|---|---|---|
| a. Hydraulic Power | Net head | Hn = Hg − hL = 12 − 1,5 | 10,5 m |
| Hydraulic power | Ph = ρ × g × Q × Hn | 154,51 kW | |
| b. Power Conversion | Shaft power | Pshaft = ηt × Ph | 139,06 kW |
| Electrical power | Pe = ηm × ηg × Pshaft | 121,54 kW | |
| Overall efficiency | ηtotal = ηt × ηm × ηg | 78,66% | |
| c. Runner Geometry | Flow area | A = Q / Vf, Vf = 4 m/s | 0,375 m² |
| Tip diameter | Berdasarkan Dh/Dt = 0,40 | 0,754 m | |
| Hub diameter | Dh/Dt = 0,40 | 0,302 m | |
| Number of blades | Z | 6 blade | |
| d. Turbine Speed & Euler Analysis | Synchronous speed | N = 120 × f / P | 500 rpm |
| Euler energy | ΔE = U1 × Vw1 − U2 × Vw2 | — | |
| Inlet whirl velocity | Dengan Vw2 ≈ 0 | 6,71 m/s | |
| Absolute inlet velocity | V1 | 7,81 m/s | |
| Inlet flow angle | α | 30,8° | |
| Inlet blade angle | β1 | 29,4° | |
| Outlet blade angle | β2 | 16,1° |
4. Instruction Set dan Otomatisasi Perhitungan
Perhitungan diotomatisasi menggunakan MATLAB untuk mengurangi human error dan mempermudah iterasi desain.
Alur komputasi:
Input → Net Head → Power → Runner Geometry → Euler & Velocity Triangle → Specific Speed → Performance → Validation
Hasil utama preliminary design:
| Parameter | Hasil |
|---|---|
| Net head | 10,5 m |
| Hydraulic power | 154,51 kW |
| Shaft power | 139,06 kW |
| Electrical power | 121,54 kW |
| Overall efficiency | 78,66% |
| Runner tip diameter | 0,754 m |
| Hub diameter | 0,302 m |
| Number of blades | 6 |
| Turbine speed | 500 rpm |
| Specific speed | ≈312 |
5. Design Iteration
Iterasi dilakukan untuk melihat pengaruh perubahan debit terhadap net head dan daya keluaran.
Head loss diasumsikan mengikuti:
hL ∝ Q²
Hasil iterasi menunjukkan:
| Q (m³/s) | Hn (m) | ηt | Ph (kW) | Pshaft (kW) | Pe (kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 | 11,57 | 78% | 90,83 | 70,85 | 61,92 |
| 1,5 | 10,50 | 90% | 154,51 | 139,06 | 121,54 |
| 2,0 | 9,33 | 86% | 183,12 | 157,48 | 137,64 |
Grafik menunjukkan bahwa peningkatan debit meningkatkan daya yang tersedia. Namun, efisiensi turbin tidak konstan sehingga pengaturan guide vane dan runner pitch diperlukan untuk mempertahankan performa pada kondisi operasi yang berbeda.
6. Error Checking and Validation
Verifikasi dilakukan melalui empat tahap:
1. Analytical Check
- Pemeriksaan satuan SI.
- Pemeriksaan continuity.
- Pemeriksaan conservation of energy.
- Pemeriksaan persamaan Euler.
2. System Check
Daya harus memenuhi:
Ph > Pshaft > Pe
154,51 kW > 139,06 kW > 121,54 kW
Kondisi tersebut menunjukkan bahwa hasil memenuhi prinsip konservasi energi.
3. Generator Check
f = PN / 120
f = (12 × 500) / 120
f = 50 Hz
Hasil sesuai dengan frekuensi sistem.
4. Numerical & Experimental Validation
Tahap lanjutan meliputi:
Analytical Calculation → CFD → FEA → Prototype Testing
CFD digunakan untuk mengevaluasi distribusi tekanan, aliran runner, flow separation, dan kavitasi. FEA digunakan untuk memeriksa tegangan dan deformasi pada blade serta shaft. Pengujian prototype digunakan untuk memvalidasi efisiensi, daya, vibrasi, dan kondisi kavitasi.
Dengan demikian, hasil yang diperoleh pada tahap ini merupakan preliminary engineering design dan belum merupakan desain final untuk fabrikasi.
H. RESULTS AND DISCUSSION
1. Sizing dan Kinematika Desain Final
Hasil perhitungan analitik menetapkan parameter utama turbin Kaplan untuk aplikasi PLTMH pada kondisi desain debit Q = 1,5 m³/s dan net head Hn = 10,5 m. Turbin dirancang beroperasi pada putaran nominal 500 RPM dengan generator sinkron 12 kutub pada frekuensi 50 Hz.
Runner memiliki diameter tip sebesar 0,754 m, diameter hub sebesar 0,302 m, dan menggunakan 6 buah blade. Rasio hub-to-tip sebesar 0,40 digunakan sebagai dasar penentuan proporsi runner.
Berdasarkan analisis Euler, kecepatan keliling rata-rata runner diperoleh sebesar 13,82 m/s, dengan komponen pusaran masuk Vw1 sebesar 6,71 m/s. Energi spesifik yang diekstraksi dari aliran melalui runner diperoleh sekitar 92,7 J/kg.
2. Velocity Triangle Results
Tabel Parameter Segitiga Kecepatan Turbin Kaplan
| Parameter | Simbol | Inlet Runner | Outlet Runner | Unit | Keterangan |
|---|---|---|---|---|---|
| Kecepatan Absolut | (V) | 7,81 | — | m/s | Kecepatan absolut aliran pada sisi masuk runner |
| Kecepatan Keliling | (U_m) | 13,82 | 13,82 | m/s | Kecepatan keliling rata-rata runner |
| Komponen Pusaran | (V_w) | 6,71 | — | m/s | Komponen tangensial yang menghasilkan torsi |
| Sudut Aliran Absolut | α | 30,8° | — | degree | Sudut aliran terhadap arah tangensial |
| Sudut Blade | β | 29,4° | 16,1° | degree | Sudut relatif aliran terhadap blade pada inlet dan outlet |
Hasil segitiga kecepatan menunjukkan bahwa energi aliran dikonversikan menjadi energi mekanis melalui perubahan momentum sudut fluida ketika melewati runner.
3. Visualisasi Kurva Kinerja
Performa turbin dievaluasi terhadap variasi debit untuk melihat pengaruh perubahan kondisi operasi terhadap daya yang dihasilkan. Berdasarkan hasil perhitungan, Pada kondisi desain Q = 1,5 m³/s, turbin menghasilkan daya hidraulik sebesar 154,51 kW, daya poros sebesar 139,06 kW, dan daya listrik sekitar 121,54 kW.
Data performa utama yang digunakan untuk visualisasi adalah:
| Debit (Q) (m³/s) | Net Head (H_n) (m) | Efisiensi Turbin | (P_h) (kW) | (P_{shaft}) (kW) | (P_e) (kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 | 11,57 | 78% | 90,83 | 70,85 | 61,92 |
| 1,5 | 10,50 | 90% | 154,51 | 139,06 | 121,54 |
| 2,0 | 9,33 | 86% | 183,12 | 157,48 | 137,64 |
Secara umum, peningkatan debit menghasilkan peningkatan daya keluaran meskipun net head mengalami perubahan. Pada data desain, efisiensi turbin maksimum sebesar 90% diperoleh pada Q = 1,5 m³/s.
4. Performance Analysis
- Daya Hidraulik (Pₕ): Pada kondisi desain Q = 1,5 m³/s dan Hₙ = 10,5 m, energi hidraulik yang tersedia sebesar 154,51 kW.
- Efisiensi Turbin (ηₜ): Efisiensi turbin pada titik desain mencapai 90%, menunjukkan kemampuan runner dalam mengonversikan energi hidraulik menjadi energi mekanis.
- Daya Poros Aktual (Pₛₕₐfₜ): Daya mekanis yang dihasilkan runner sebesar 139,06 kW.
- Daya Listrik (Pₑ): Setelah memperhitungkan efisiensi generator dan sistem, daya listrik yang tersedia diperkirakan sebesar 121,54 kW, dengan efisiensi total sekitar 78,66%.
5. Sensitivity Analysis
Analisis sensitivitas dilakukan untuk mengevaluasi perubahan performa turbin terhadap variasi debit dan net head. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa perubahan debit memberikan pengaruh langsung terhadap daya hidraulik dan daya keluaran turbin.
Sensitivitas Performa terhadap Variasi Debit
| Debit Air (Q) | Net Head (H_n) | Efisiensi Turbin | Shaft Power | Electrical Power |
|---|---|---|---|---|
| 0,8 m³/s | 11,57 m | 78% | 70,85 kW | 61,92 kW |
| 1,5 m³/s | 10,50 m | 90% | 139,06 kW | 121,54 kW |
| 2,0 m³/s | 9,33 m | 86% | 157,48 kW | 137,64 kW |
Hasil tersebut menunjukkan bahwa peningkatan debit dari 0,8 menjadi 2,0 m³/s meningkatkan daya poros dari 70,85 menjadi 157,48 kW. Namun, efisiensi tidak meningkat secara monoton karena perubahan kondisi operasi turut memengaruhi karakteristik hidraulik runner.
6. Limitations
Guna menjaga transparansi akademik, batasan dalam pemodelan ini meliputi:
- Model Analitik: Perancangan utama dilakukan menggunakan pendekatan analitik dan parameter aliran satu dimensi, sehingga distribusi aliran tiga dimensi di dalam runner belum sepenuhnya direpresentasikan.
- CFD Belum Menjadi Validasi Eksperimental: CFD dan simulasi lanjutan digunakan sebagai tahapan validasi yang direkomendasikan, tetapi belum menjadi hasil eksperimental aktual.
- Analisis FEA: Evaluasi konsentrasi tegangan, deformasi, dan umur kelelahan komponen runner belum dilakukan secara numerik penuh.
- Kavitasi: Analisis yang dilakukan masih berupa screening awal melalui perbandingan cavitation coefficient dengan batas kritis. Hasil menunjukkan σ ≈ 0,856, lebih besar daripada σc ≈ 0,354, sehingga kondisi desain berada di atas batas kritis yang digunakan dalam kajian.
I. ACKNOWLEDGMENTS
Ungkapan syukur dipanjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas petunjuk dan karunia-Nya dalam penyelesaian laporan ini. Penulis menyampaikan terima kasih kepada dosen pengampu mata kuliah Sistem Konversi Energi serta seluruh pihak yang telah memberikan dukungan, arahan, dan literatur yang mendukung proses analisis dan perancangan turbin Kaplan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) berbasis keberlanjutan.
J. REFERENCES / LITERATURE CITED
[1] R. K. Rajput, A Textbook of Fluid Mechanics and Hydraulic Machines, 5th ed. New Delhi: S. Chand Publishing, 2016.
[2] P. N. Modi and S. M. Seth, Hydraulics and Fluid Mechanics Including Hydraulic Machines, 22nd ed. New Delhi: Standard Book House, 2017.
[3] J. F. Douglas, J. M. Gasiorek, J. A. Swaffield, and L. B. Jack, Fluid Mechanics, 6th ed. Harlow: Pearson, 2011.
[4] C. E. Brennen, Hydrodynamics of Pumps. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.
[5] International Electrotechnical Commission, IEC 60193: Hydraulic Turbines, Storage Pumps and Pump-Turbines — Model Acceptance Tests. Geneva: IEC, 1999.
[6] U.S. Department of Energy, Hydropower Basics. Washington, DC: U.S. Department of Energy, 2023.
APPENDICES
Appendix A. Detailed Design Calculation
Lampiran ini memuat perhitungan rinci parameter desain turbin Kaplan yang digunakan dalam analisis.
A.1 Net Head
Gross head dan head loss digunakan untuk menentukan net head:
Hn = Hgross − Hloss
Hn = 12 − 1,5
Hn = 10,5 m
A.2 Hydraulic Power
Daya hidraulik dihitung menggunakan:
Ph = ρgQHn
Dengan:
ρ = 1000 kg/m³
g = 9,81 m/s²
Q = 1,5 m³/s
Hn = 10,5 m
Sehingga:
Ph = 1000 × 9,81 × 1,5 × 10,5
Ph = 154,51 kW
A.3 Shaft Power
Dengan efisiensi turbin sebesar 90%:
Pshaft = ηt × Ph
Pshaft = 0,90 × 154,51
Pshaft = 139,06 kW
A.4 Electrical Power
Daya listrik diperoleh setelah memperhitungkan efisiensi sistem generator:
Pe ≈ 121,54 kW
A.5 Runner Geometry
Parameter utama runner:
| Parameter | Symbol | Value | Unit |
|---|---|---|---|
| Tip diameter | Dt | 0,754 | m |
| Hub diameter | Dh | 0,302 | m |
| Hub-to-tip ratio | Dh/Dt | 0,40 | — |
| Number of blades | Z | 6 | blade |
| Rotational speed | N | 500 | RPM |
A.6 Euler Turbine Analysis
Parameter hasil analisis Euler:
| Parameter | Symbol | Value | Unit |
|---|---|---|---|
| Mean blade speed | Um | 13,82 | m/s |
| Inlet whirl velocity | Vw1 | 6,71 | m/s |
| Specific energy | ΔE | 92,7 | J/kg |
A.7 Velocity Triangle
Parameter hasil analisis segitiga kecepatan:
| Parameter | Inlet | Outlet | Unit |
|---|---|---|---|
| Absolute velocity | 7,81 | — | m/s |
| Blade angle | 29,4 | 16,1 | ° |
| Absolute flow angle | 30,8 | — | ° |
Appendix B. Penstock Calculation
Parameter penstock yang digunakan:
| Parameter | Symbol | Value | Unit |
|---|---|---|---|
| Penstock diameter | D | 0,90 | m |
| Penstock length | L | 80 | m |
| Flow velocity | V | 2,36 | m/s |
| Reynolds number | Re | 2,12 × 10⁶ | — |
| Friction loss | hf | 0,30 | m |
| Minor loss | hm | 0,57 | m |
| Total estimated loss | hL | 0,87 | m |
Appendix C. Performance Calculation
Hasil evaluasi performa pada beberapa kondisi operasi:
| Q (m³/s) | Hn (m) | ηt | Ph (kW) | Pshaft (kW) | Pe (kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 | 11,57 | 78% | 90,83 | 70,85 | 61,92 |
| 1,5 | 10,50 | 90% | 154,51 | 139,06 | 121,54 |
| 2,0 | 9,33 | 86% | 183,12 | 157,48 | 137,64 |
Appendix D. Cavitation Screening
Parameter hasil cavitation screening:
σ = 0,856
σc = 0,354
Karena σ > σc, kondisi desain berada di atas batas kritis yang digunakan dalam kajian.
Appendix E. MATLAB Computational Script
Kode MATLAB berikut digunakan untuk mengotomatisasi perhitungan dan evaluasi performa turbin Kaplan.
% KAPLAN TURBINE PERFORMANCE ANALYSIS
rho = 1000; % kg/m^3
g = 9.81; % m/s^2
Q = [0.8 1.5 2.0]; % m^3/s
Hn = [11.57 10.50 9.33]; % m
eta_t = [0.78 0.90 0.86];
% Hydraulic power
Ph = rho .* g .* Q .* Hn / 1000;
% Shaft power
Pshaft = eta_t .* Ph;
% Electrical power
eta_total = 0.7866;
Pe = eta_total .* Ph;
% Display results
Results = table(Q', Hn', eta_t', Ph', Pshaft', Pe', ...
'VariableNames', ...
{'Q','Hn','Efficiency','Ph','Pshaft','Pe'});
disp(Results);
% Performance plot
figure;
plot(Q, Ph, '-o', Q, Pshaft, '-s', Q, Pe, '-^');
xlabel('Flow Rate Q (m^3/s)');
ylabel('Power (kW)');
title('Kaplan Turbine Performance');
legend('Hydraulic Power','Shaft Power','Electrical Power');
grid on;Demikian pemaparan laporan perancangan Turbin Kaplan yang saya susun. Semoga dokumen ini memberikan kejelasan dan nilai tambah dalam pembelajaran Sistem Konversi Energi. Mohon maaf apabila terdapat kekurangan dalam penulisan maupun penyajian data.
وَالسَّلَامُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللَّهِ وَبَرَكَاتُهُ
