A. Project Title

Analisis dan Penentuan Parameter Geometri Runner Turbin Pelton pada Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)

B. Author Complete Name

Moammar Keenan Arsya

C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

D. Abstract

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) merupakan salah satu teknologi pembangkit listrik yang memanfaatkan energi potensial air untuk menghasilkan energi mekanik dan selanjutnya dikonversikan menjadi energi listrik. Turbin Pelton merupakan salah satu turbin impuls yang sesuai untuk aplikasi dengan head relatif tinggi dan debit relatif rendah. Dalam Turbin Pelton, karakteristik runner memiliki pengaruh penting terhadap proses transfer energi dari jet air menuju poros turbin.

Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis dan menentukan parameter geometri runner Turbin Pelton pada sistem PLTMH menggunakan kerangka DAI5. Studi kasus menggunakan head efektif sebesar 100 m dan debit air sebesar 0,06 m³/s dengan target daya turbin sekitar 53 kW. Perancangan dilakukan dengan menentukan kecepatan jet, diameter jet, kecepatan tangensial runner, diameter pitch runner, rasio diameter runner terhadap jet, jumlah bucket, serta dimensi dasar bucket.

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa kecepatan jet yang dihasilkan adalah sekitar 43,41 m/s dengan diameter jet sebesar 41,95 mm. Dengan speed ratio 0,46 dan putaran runner 750 rpm, diperoleh kecepatan tangensial runner sebesar 19,97 m/s dan diameter pitch runner sebesar 0,508 m. Rasio diameter runner terhadap diameter jet sebesar 12,12 berada dalam rentang desain 10–20 yang direkomendasikan untuk Turbin Pelton. Berdasarkan hubungan empiris, jumlah bucket yang diperoleh adalah 21 buah. Dimensi awal bucket yang digunakan adalah lebar sekitar 126 mm, panjang sekitar 117 mm, dan kedalaman sekitar 46 mm.

Hasil tersebut menunjukkan bahwa kondisi hidraulik PLTMH dapat diterjemahkan secara sistematis menjadi parameter geometri runner. Pendekatan DAI5 memberikan kerangka yang mengintegrasikan analisis teknik dengan kesadaran, niat, tanggung jawab, dan keberlanjutan dalam proses perancangan.

E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

Perancangan sistem energi merupakan aktivitas teknik yang tidak hanya berkaitan dengan perhitungan matematis, tetapi juga dengan tanggung jawab seorang engineer terhadap lingkungan, masyarakat, dan Tuhan Yang Maha Esa. Dalam perancangan runner Turbin Pelton, kesadaran tersebut diwujudkan dengan mempertimbangkan bagaimana potensi energi air dapat dimanfaatkan secara optimal tanpa mengabaikan aspek keselamatan, efisiensi energi, keandalan, dan keberlanjutan.

Seorang engineer tidak hanya bertanggung jawab menghasilkan desain yang mampu bekerja secara teknis, tetapi juga harus mempertimbangkan dampak penggunaan teknologi tersebut terhadap kehidupan manusia dan lingkungan.

2. Intention of the Project Activity

Kegiatan ini diniatkan untuk memahami dan menerapkan prinsip-prinsip turbomachinery dalam merancang parameter geometri runner Turbin Pelton untuk sistem PLTMH. Perancangan dilakukan dengan tujuan menghasilkan geometri runner yang mampu memanfaatkan energi kinetik jet air secara efektif serta memberikan dasar desain yang dapat dikembangkan lebih lanjut melalui pemodelan numerik dan eksperimen.

F. Introduction

1. Latar Belakang

Energi air merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang telah banyak dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Pada pembangkit listrik tenaga air, energi potensial air akibat perbedaan elevasi dikonversikan menjadi energi kinetik dan kemudian energi mekanik melalui turbin.

PLTMH merupakan salah satu bentuk pemanfaatan energi air dalam skala kecil. Sistem ini dapat digunakan untuk memanfaatkan sumber air pada daerah yang memiliki potensi head dan debit tertentu. Secara umum, sistem PLTMH terdiri atas bangunan pengambilan air, saluran pembawa, penstock, turbin, generator, dan sistem kelistrikan.

Pemilihan jenis turbin bergantung pada karakteristik head dan debit. Turbin Pelton merupakan turbin impuls yang sesuai untuk kondisi head tinggi. Pada turbin ini, tekanan air dikonversikan menjadi kecepatan tinggi melalui nozzle sebelum jet air diarahkan menuju bucket runner.

Pada proses desain Turbin Pelton, runner menjadi komponen yang sangat penting karena merupakan tempat berlangsungnya transfer momentum antara jet air dan bucket. Kecepatan tangensial runner harus dipilih sedemikian rupa sehingga energi jet dapat dikonversikan secara optimal menjadi energi mekanik.

Oleh karena itu, diperlukan suatu analisis untuk menentukan hubungan antara kondisi hidraulik PLTMH dengan parameter geometri runner.

2. Pemikiran Awal tentang Masalah

a. Analisis masalah secara sistematis

Permasalahan utama yang dibahas dalam penelitian ini adalah: Bagaimana menentukan parameter geometri runner Turbin Pelton berdasarkan kondisi head, debit, dan putaran turbin sehingga runner dapat beroperasi pada kondisi yang mendekati titik efisiensi tinggi?

• kecepatan jet
• diameter jet
• kecepatan tangensial runner
• diameter runner
• rasio diameter runner terhadap jet
• jumlah bucket
• dimensi dasar bucket

b. Mengurai masalah

Hubungan antarparameter dapat disusun sebagai berikut:

H → Vⱼ

Q, Vⱼ → dⱼ

Vⱼ → U

U, N → D

D, dⱼ → D/dⱼ → Z

H, Q, N → Vⱼ, dⱼ → U, D → D/dⱼ → Z → Geometri Bucket

c. Dekonstruksi ke prinsip dasar

Dasar teori yang digunakan terdiri atas persamaan energi, persamaan kontinuitas, persamaan Euler turbomachinery, prinsip perubahan momentum, hubungan kecepatan tangensial runner, speed ratio, serta hubungan diameter runner dan diameter jet.

3. Analisis State-of-the-Art

Penelitian mengenai Turbin Pelton telah berkembang dari pendekatan empiris menuju kombinasi analisis teoritis, pemodelan CAD, dan Computational Fluid Dynamics (CFD). Salah satu penelitian mengenai desain dan CFD runner Pelton menggunakan kondisi net head 47,5 m dan debit 0,14 m³/s, kemudian melakukan pemodelan bucket dan analisis performa. Penelitian tersebut menggunakan 18 bucket dan pitch circle diameter 500 mm.

Penelitian yang lebih baru juga menunjukkan bahwa pendekatan parametrik dapat digunakan untuk menentukan geometri bucket. Parameter utama seperti lebar, panjang, dan kedalaman bucket dapat dinyatakan terhadap diameter jet sehingga geometri dapat diskalakan untuk berbagai ukuran Turbin Pelton.

Hal ini menunjukkan bahwa metode analitik masih relevan sebagai tahap awal desain karena dapat memberikan dimensi awal runner sebelum dilakukan optimasi menggunakan CFD.

G. Methods & Procedures

1. Idealization

Sistem yang dianalisis merupakan PLTMH dengan satu runner Turbin Pelton. Asumsi yang digunakan adalah sebagai berikut:

• air dianggap incompressible;
• aliran berada pada kondisi steady-state;
• densitas air ρ = 1000 kg/m³;
• percepatan gravitasi g = 9,81 m/s²;
• head yang digunakan adalah net/effective head;
• koefisien kecepatan nozzle Cᵥ = 0,98;
• speed ratio desain φ = 0,46;
• putaran runner N = 750 rpm;
• jumlah nozzle awal adalah satu;
• desain dilakukan pada kondisi rated/design point.

2. Data Desain

Parameter	Simbol	Nilai
Head efektif	H	100 m
Debit	Q	0,06 m³/s
Putaran runner	N	750 rpm
Densitas air	ρ	1000 kg/m³
Gravitasi	g	9,81 m/s²
Koefisien nozzle	Cᵥ	0,98
Speed ratio	φ	0,46
Efisiensi turbin	ηₜ	90%
Jumlah nozzle	nⱼ	1

3. Perhitungan

3.1 Daya Hidraulik

Pₕ = ρgQH

Pₕ = (1000)(9,81)(0,06)(100) = 58.860 W

Pₕ = 58,86 kW

Pₜ = ηₜPₕ = 0,90(58,86) = 52,97 kW

3.2 Kecepatan Jet

Vⱼ = Cᵥ√(2gH)

Vⱼ = 0,98√[2(9,81)(100)]

Vⱼ = 43,41 m/s

3.3 Diameter Jet

dⱼ = √[4Q/(πVⱼ)]

dⱼ = √[4(0,06)/(π(43,41))]

dⱼ = 0,04195 m ≈ 41,95 mm

3.4 Kecepatan Tangensial Runner

φ = U/Vⱼ

U = 0,46(43,41)

U = 19,97 m/s

3.5 Diameter Runner

U = πDN/60

D = 60U/(πN)

D = 60(19,97)/(π(750))

D = 0,508 m ≈ 508,5 mm

3.6 Jet Ratio

m = D/dⱼ

m = 0,508/0,04195

m = 12,12

3.7 Jumlah Bucket

Z = 15 + D/(2dⱼ)

Z = 15 + 12,12/2 = 21,06

Z ≈ 21 bucket

3.8 Dimensi Bucket

Dipilih B/dⱼ = 3,0; L/dⱼ = 2,8; T/dⱼ = 1,1.

B = 3(41,95) = 125,9 mm ≈ 126 mm

L = 2,8(41,95) = 117,5 mm ≈ 117 mm

T = 1,1(41,95) = 46,1 mm ≈ 46 mm

3.9 Tabel Hasil Akhir Perancangan

Parameter	Simbol	Hasil
Head efektif	H	100 m
Debit	Q	0,06 m³/s
Daya hidraulik	Pₕ	58,86 kW
Efisiensi desain	ηₜ	90%
Daya turbin	Pₜ	52,97 kW
Kecepatan jet	Vⱼ	43,41 m/s
Diameter jet	dⱼ	41,95 mm
Speed ratio	φ	0,46
Kecepatan runner	U	19,97 m/s
Putaran runner	N	750 rpm
Diameter runner/PCD	D	508,5 mm
Jet ratio	D/dⱼ	12,12
Jumlah bucket	Z	21
Lebar bucket	B	126 mm
Panjang bucket	L	117 mm
Kedalaman bucket	T	46 mm

3.10 Analisis Transfer Energi pada Bucket

W₁ = Vⱼ − U = 43,41 − 19,97 = 23,44 m/s

W₂ = kW₁ = 0,85(23,44) = 19,92 m/s

β = 15°

W₂ cos β = 19,92 cos 15° = 19,24 m/s

ṁ = ρQ = (1000)(0,06) = 60 kg/s

Fₜ = ṁ[Vⱼ − U + W₂ cos β]

Fₜ = 60[43,41 − 19,97 + 19,24] ≈ 2.561 N

P = FₜU = (2561)(19,97) ≈ 51,14 kW

Pjet = ½ρQVⱼ² ≈ 56,53 kW

ηₕ = P/Pjet ≈ 90,5%

H. Result & Discussion

1. Karakteristik Sistem yang Dirancang

Berdasarkan hasil perhitungan, sistem PLTMH memiliki head efektif sebesar 100 m dan debit 0,06 m³/s. Kombinasi kedua parameter tersebut menghasilkan daya hidraulik sebesar 58,86 kW. Dengan asumsi efisiensi turbin 90%, daya mekanik yang ditargetkan adalah sekitar 52,97 kW.

2. Analisis Diameter Jet

Diameter jet yang diperoleh adalah 41,95 mm. Diameter ini ditentukan langsung oleh debit dan kecepatan jet. Peningkatan debit pada head tetap akan meningkatkan diameter jet, sedangkan peningkatan head meningkatkan kecepatan jet dan untuk debit yang sama cenderung menurunkan diameter jet.

3. Analisis Diameter Runner

Diameter runner yang diperoleh adalah 508,5 mm. Nilai ini diperoleh dari kecepatan tangensial optimum dan putaran runner. Hubungan D = 60φVⱼ/(πN) menunjukkan bahwa diameter runner dipengaruhi oleh head, speed ratio, kecepatan jet, dan putaran.

4. Analisis Jet Ratio

Hasil D/dⱼ = 12,12. Nilai tersebut berada dalam rentang desain 10–20 yang digunakan sebagai kriteria desain Pelton. Hal ini menunjukkan bahwa ukuran runner dan jet memiliki proporsi yang sesuai.

5. Analisis Jumlah Bucket

Dari persamaan Z = 15 + D/(2dⱼ) diperoleh sekitar 21 bucket. Jumlah ini dipilih sebagai desain awal yang memberikan kompromi antara kontinuitas interaksi jet dan ukuran runner.

6. Analisis Geometri Bucket

Dimensi bucket yang diperoleh adalah B = 126 mm, L = 117 mm, dan T = 46 mm. Pendekatan parametrik terhadap diameter jet memberikan keuntungan karena geometri dapat diskalakan untuk ukuran Turbin Pelton yang berbeda.

7. Analisis Keseluruhan Runner

Parameter akhir dapat dirangkum sebagai: H = 100 m, Q = 0,06 m³/s, Vⱼ = 43,41 m/s, dⱼ = 41,95 mm, U = 19,97 m/s, D = 508,5 mm, D/dⱼ = 12,12, Z = 21, serta B × L × T ≈ 126 × 117 × 46 mm.

8. Evaluasi Kelayakan Desain

Secara analitik, seluruh parameter utama memenuhi batas desain yang digunakan. Speed ratio 0,46 sesuai dengan kondisi optimum praktis; jet ratio 12,12 berada dalam rentang 10–20; dan rasio dimensi bucket dipilih dalam rentang parametrik yang digunakan.

9. Keterbatasan Analisis

Analisis ini masih menggunakan penyederhanaan. Aliran dianggap steady-state, distribusi kecepatan jet dianggap seragam, geometri bucket ditentukan dengan rasio dimensional, dan interaksi jet-bucket direpresentasikan dengan model momentum sederhana. Karena itu, hasil ini merupakan preliminary design yang sebaiknya dilanjutkan dengan CAD, CFD, dan validasi eksperimen.

I. Conclusion, Closing Remarks, Recommendations

1. Kesimpulan

Berdasarkan analisis yang telah dilakukan, parameter geometri runner Turbin Pelton untuk studi kasus PLTMH dengan head efektif 100 m dan debit 0,06 m³/s berhasil ditentukan. Daya hidraulik yang tersedia adalah 58,86 kW dan dengan efisiensi turbin 90% diperoleh target daya mekanik sebesar 52,97 kW.

Kecepatan jet yang dihasilkan adalah 43,41 m/s dengan diameter jet 41,95 mm. Dengan speed ratio 0,46, diperoleh kecepatan tangensial runner 19,97 m/s. Pada putaran 750 rpm, diameter pitch runner adalah 508,5 mm.

Rasio diameter runner terhadap diameter jet adalah 12,12 dan jumlah bucket yang diperoleh adalah 21 buah. Dimensi awal bucket yang digunakan adalah 126 mm × 117 mm × 46 mm. Secara analitik, parameter tersebut menghasilkan desain runner yang konsisten dengan kriteria dasar Turbin Pelton.

2. Penutup

Perancangan ini menunjukkan bahwa desain runner Turbin Pelton tidak dapat dilakukan hanya dengan menentukan diameter runner secara langsung. Setiap parameter memiliki hubungan dengan kondisi hidraulik dan parameter operasi lainnya.

H, Q, N → Vⱼ, dⱼ → U → D → D/dⱼ → Z → Bucket

Kerangka DAI5 memberikan perspektif tambahan bahwa proses desain tidak hanya berorientasi pada optimasi teknis, tetapi juga pada kesadaran dan tanggung jawab engineer dalam memanfaatkan sumber daya alam secara berkelanjutan.

3. Rekomendasi

• optimasi sudut outlet bucket;
• optimasi jumlah bucket;
• analisis pengaruh variasi speed ratio;
• analisis variasi debit;
• analisis efisiensi pada kondisi off-design;
• analisis tegangan pada runner menggunakan Finite Element Analysis (FEA);
• pembuatan prototipe untuk validasi eksperimen.

J. Acknowledgments

Saya menyampaikan rasa syukur yang mendalam kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan petunjuk-Nya sehingga perancangan ini dapat diselesaikan. Saya juga mengucapkan terima kasih kepada prof DAI sebagai dosen mata kuliah Sistem Konversi Energi / Turbin atas bimbingannya.

K. Literature Cited

1. United Nations Industrial Development Organization (UNIDO). (2019). Technical Guidelines for the Development of Small Hydropower Plants – Part 6-1: Hydraulic Machinery and Turbine Generator. UNIDO.

2. United Nations Industrial Development Organization (UNIDO). (1987). Guidelines for the Application of Small Hydraulic Turbines. Small Hydropower Series No. 4.

3. United Nations Industrial Development Organization (UNIDO). (1991). Brief Report on the OLADE Technical Manual on the Typical Design and Fabrication of Equipment and Machinery for Small Hydropower Stations.

4. Nigussie, A., Engeda, A., & Dribssa, E. (2017). Design, modeling, and CFD analysis of a micro hydro Pelton turbine runner: For the case of selected site in Ethiopia. International Journal of Rotating Machinery.

5. Silva, et al. (2026). Proposal of a parameterized methodology for the hydrodynamic design of high-efficiency Pelton rotors validated by multiphase CFD simulations. International Journal of Rotating Machinery.

6. Direktorat Jenderal Sumber Daya Air, Kementerian PUPR. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro.

L. Appendices

Lampiran 1 — Data Desain

Parameter	Nilai
Head efektif	100 m
Debit	0,06 m³/s
Putaran	750 rpm
Cᵥ	0,98
Speed ratio	0,46
Efisiensi turbin	90%
Jumlah nozzle	1

Lampiran 2 — Ringkasan Perhitungan

Pₕ = ρgQH = 58,86 kW

Pₜ = ηₜPₕ = 52,97 kW

Vⱼ = Cᵥ√(2gH) = 43,41 m/s

dⱼ = √[4Q/(πVⱼ)] = 41,95 mm

U = 0,46Vⱼ = 19,97 m/s

D = 60U/(πN) = 508,5 mm

D/dⱼ = 12,12

Z = 15 + D/(2dⱼ) ≈ 21

B = 3dⱼ ≈ 126 mm

L = 2,8dⱼ ≈ 117 mm

T = 1,1dⱼ ≈ 46 mm

Lampiran 3 — Spesifikasi Akhir Runner

Spesifikasi	Nilai
Jenis	Turbin Pelton
Aplikasi	PLTMH
Head efektif	100 m
Debit	0,06 m³/s
Daya hidraulik	58,86 kW
Target daya turbin	52,97 kW
Jumlah nozzle	1
Diameter jet	41,95 mm
Runner speed	750 rpm
Pitch Circle Diameter	508,5 mm
Jet ratio	12,12
Jumlah bucket	21
Bucket width	126 mm
Bucket length	117 mm
Bucket depth	46 mm