ccitonline.com

CCIT – Cara Cerdas Ingat Tuhan

| AI-DAI5 | DAI5 AI Agents | NIC | ZWI | | CCITEdu | DAI5 eBook | CFDSOF | Donation | Download | CCIT Corporation | DAI5 | 33 Kriteria Evaluasi Penerapan DAI5 | Search |

Tugas Besar Laporan Merancang Turbin Pelton – Rasendriya Aura Mecca 24064013640 SKE 01


PERANCANGAN TURBIN PELTON UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO SKALA DESA

بِسْمِ ٱللَّهِ ٱلرَّحْمَـٰنِ ٱلرَّحِيمِ 

ٱلسَّلَامُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ ٱللَّٰهِ وَبَرَكَاتُهُ 


A. JUDUL PROYEK

Perancangan Turbin Pelton untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Skala Desa

B. NAMA LENGKAP PENULIS

Nama : Rasendriya Aura Mecca Pamungkas
NPM : 2406413640

C. AFILIASI

Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia


D. ABSTRAK

Laporan ini membahas perancangan awal Turbin Pelton untuk aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) skala desa. Perancangan menggunakan data studi berupa gross head sebesar 50 m, debit desain 0,035 m³/s, penstock baja sepanjang 120 m dengan diameter dalam 0,20 m, dan konfigurasi satu nozzle. Proses perancangan meliputi analisis aliran dalam penstock, perhitungan head loss dan net head, penentuan daya hidrolik, perancangan nozzle dan jet, runner dan bucket, analisis velocity triangle, gaya momentum, torsi, daya mekanik, daya listrik, efisiensi turbin, serta pemeriksaan awal poros dan penstock.

Hasil perhitungan menunjukkan kecepatan aliran dalam penstock sebesar 1,114 m/s dengan total kehilangan head 0,806 m, sehingga diperoleh net head sebesar 49,194 m. Daya hidrolik yang tersedia sebesar 16,89 kW. Kecepatan jet adalah 30,45 m/s dengan diameter jet teoritis 38,26 mm. Runner memiliki diameter teoritis 445,8 mm dan dipilih diameter desain 450 mm pada putaran 600 rpm. Runner menggunakan 21 bucket. Analisis velocity triangle menghasilkan efisiensi hidrolik runner sekitar 92,99%, sedangkan estimasi efisiensi turbin setelah memasukkan efisiensi nozzle dan mekanik adalah sekitar 84,84%, sangat dekat dengan efisiensi desain sebesar 85%. Daya mekanik desain sebesar 14,36 kW dan estimasi daya listrik sebesar 13,21 kW. Hasil menunjukkan bahwa konfigurasi tersebut secara konseptual layak untuk aplikasi mikrohidro, tetapi pengukuran lapangan, analisis struktur, dan pengujian eksperimental tetap diperlukan sebelum implementasi nyata.


E. DEKLARASI PENULIS

1. Kesadaran Diri yang Mendalam (Deep Awareness of I)

Dalam melakukan perancangan Turbin Pelton ini, penulis menyadari bahwa engineering bukan sekadar proses memasukkan angka ke dalam persamaan. Setiap keputusan desain dapat memberikan dampak terhadap manusia, keselamatan, pemanfaatan sumber daya, dan lingkungan. Energi yang terkandung di dalam air merupakan fenomena alam yang bekerja mengikuti hukum-hukum fisika, sedangkan manusia berusaha mempelajari dan memanfaatkannya melalui ilmu pengetahuan.

Kesadaran tersebut mendorong penulis untuk menerapkan prinsip Cara Cerdas Ingat Tuhan (CCIT) melalui ketelitian, kejujuran terhadap data, konsistensi perhitungan, dan keterbukaan terhadap keterbatasan hasil. Parameter seperti head, debit, dan karakteristik sistem dalam laporan ini masih merupakan data studi dan belum merupakan hasil survei suatu lokasi tertentu.

Dalam konteks mikrohidro, air yang digunakan untuk pembangkit juga dapat mempunyai fungsi lain bagi masyarakat dan lingkungan. Karena itu, penerapan Turbin Pelton tidak hanya perlu menghasilkan energi secara efisien, tetapi juga mempertimbangkan debit lingkungan, penggunaan air lainnya, keselamatan, serta keberlanjutan.

2. Niat Kegiatan Proyek (Intention)

Perancangan ini dilakukan untuk memahami secara sistematis proses perubahan energi potensial air menjadi energi kinetik jet, energi mekanik pada runner, dan akhirnya energi listrik melalui generator.

Tujuan teknis proyek adalah menentukan parameter utama Turbin Pelton berdasarkan kondisi sumber air yang diberikan, memperoleh dimensi runner, nozzle, bucket, dan poros secara rasional, serta mengevaluasi gaya, torsi, daya, dan efisiensi sistem.

Perancangan juga ditujukan untuk membangun proses engineering yang dapat ditelusuri kembali dari data awal hingga keputusan desain akhir. Dengan demikian, setiap angka yang digunakan dapat dibedakan sebagai data, asumsi, hasil perhitungan, atau keputusan desain.


F. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Energi air merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik pada daerah dengan perbedaan elevasi dan debit air yang memadai. Salah satu bentuk pemanfaatannya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), yaitu sistem pembangkit berkapasitas relatif kecil yang memanfaatkan energi potensial air.

Pada sistem tersebut, air dialirkan melalui penstock menuju turbin. Untuk Turbin Pelton, energi tekanan dan energi potensial air terlebih dahulu dikonversi menjadi energi kinetik melalui nozzle. Jet berkecepatan tinggi kemudian diarahkan menuju bucket pada runner. Perubahan arah dan momentum air pada bucket menghasilkan gaya tangensial yang memutar runner dan poros.

Turbin Pelton merupakan jenis turbin impuls yang sesuai terutama pada kondisi head relatif tinggi dan debit rendah hingga menengah. Metodologi perancangan pada laporan ini mengikuti pola perancangan pada template referensi, yaitu dari analisis head dan rugi-rugi aliran menuju nozzle, runner, gaya, daya, poros, kemudian verifikasi dan iterasi desain.

Pemikiran Awal tentang Masalah (Initial Thinking)

Perancangan Turbin Pelton tidak dapat dilakukan hanya dengan menentukan diameter runner. Sebagian gross head akan hilang akibat gesekan di sepanjang penstock serta kerugian pada belokan, katup, sambungan, dan komponen sistem lainnya. Oleh sebab itu, net head perlu ditentukan terlebih dahulu.

Diameter penstock juga memengaruhi performa. Diameter yang terlalu kecil meningkatkan kecepatan dan rugi gesek, sedangkan diameter yang terlalu besar dapat meningkatkan biaya konstruksi.

Setelah net head diketahui, kecepatan jet dapat ditentukan. Kecepatan jet kemudian menjadi dasar penentuan kecepatan tangensial runner, diameter runner, jet ratio, jumlah bucket, gaya, torsi, dan daya.

Analisis velocity triangle diperlukan untuk memahami bagaimana momentum jet berubah ketika air melewati bucket. Analisis ini juga dapat digunakan untuk memeriksa efisiensi hidrolik runner dan melihat apakah air meninggalkan bucket dengan komponen kecepatan tangensial yang rendah.

Tabel 1. Permasalahan dan respons perancangan

PermasalahanDampakRespons Perancangan
Head loss pada penstockDaya berkurangHitung major dan minor losses
Diameter penstock kurang tepatRugi energi/biaya meningkatEvaluasi kecepatan dan friction loss
Nozzle tidak sesuaiJet tidak sesuai debitHitung dari kontinuitas
Runner tidak sesuai jetEfisiensi menurunEvaluasi speed ratio dan jet ratio
Perubahan momentum tidak dianalisisGaya dan torsi tidak diketahuiGunakan velocity triangle
Debit berubahDaya keluaran berubahParametric study
Data masih asumsiBelum siap dibangunSurvei dan validasi

Refleksi CCIT

Ketelitian terhadap data merupakan bagian dari tanggung jawab seorang engineer. Karena kondisi sumber air pada laporan ini masih berupa data studi, hal tersebut dinyatakan secara eksplisit agar hasil perancangan tidak diperlakukan sebagai hasil survei lapangan.


G. METODE DAN PROSEDUR

Perancangan dimulai dari kondisi sumber air menuju parameter hidrolik dan mekanik Turbin Pelton. Karena debit dan gross head telah ditentukan, besarnya daya menjadi hasil dari proses perhitungan.

Idealisasi, Asumsi, dan Penyederhanaan

Aliran diasumsikan berada dalam kondisi steady state. Air mempunyai massa jenis 1000 kg/m³ dan viskositas kinematik 1×10−61\times10^{-6} m²/s.

Penstock diasumsikan berupa pipa baja dengan kekasaran absolut 0,045 mm. Total minor loss coefficient digunakan sebesar 2,5.

Turbin menggunakan satu nozzle, Cv=0,98C_v=0,98, speed ratio target 0,46, efisiensi turbin desain 85%, dan efisiensi generator 92%.

Untuk analisis velocity triangle, digunakan asumsi desain berupa rasio kecepatan relatif keluar bucket sebesar 0,90 terhadap kecepatan relatif masuk dan sudut deviasi outlet sebesar 15°.

Tabel 2. Data dan asumsi perancangan

ParameterSimbolNilaiSatuan
Gross headHgH_g50m
DebitQQ0,035m³/s
Panjang penstockLpL_p120m
Diameter penstockDpD_p0,20m
Kekasaran pipaε\varepsilon0,045mm
Minor loss coefficientΣK\Sigma K2,5–
Massa jenisρ\rho1000kg/m³
Gravitasigg9,81m/s²
Viskositas kinematikν \nu1×10−61\times10^{-6}m²/s
Nozzleℕj\N_j1buah
Velocity coefficientCvC_v0,98–
Speed ratioϕ\phi0,46–
Runner speednn600rpm
Efisiensi turbin desainηt\eta_t0,85–
Efisiensi generatorηg\eta_g0,92–
Koefisien bucketkk0,90–
Sudut deviasi outletβ\beta15°

Instruksi (Instruction Set)

Urutan perancangan terdiri atas analisis penstock, Reynolds number dan friction factor, perhitungan head loss, penentuan net head dan daya hidrolik, perancangan nozzle, runner dan bucket, analisis velocity triangle, perhitungan gaya dan torsi, evaluasi efisiensi, penentuan daya mekanik dan listrik, analisis awal poros, water hammer, validasi, serta studi parametrik.

Refleksi CCIT

Data, asumsi, hasil perhitungan, dan keputusan desain dipisahkan secara jelas agar seluruh proses dapat diperiksa kembali dan tidak menampilkan asumsi sebagai fakta.


H. HASIL DAN PEMBAHASAN

Ringkasan Hasil Rancangan

Tabel 3. Ringkasan hasil perancangan

ParameterNilai
Gross head50 m
Net head49,194 m
Debit0,035 m³/s
Hydraulic power16,89 kW
Jet velocity30,45 m/s
Jet diameter38,26 mm
Runner diameter450 mm
Runner speed600 rpm
Actual speed ratio0,464
Jet ratio11,76
Jumlah bucket21
Bucket width191,3 mm
Bucket length95,6 mm
Bucket depth45,9 mm
Runner hydraulic efficiency92,99%
Calculated turbine efficiency84,84%
Design turbine efficiency85%
Mechanical power14,36 kW
Electrical power13,21 kW
Nominal torque228,5 N·m
Preliminary shaft diameter40 mm

1. Analisis Penstock dan Net Head

Luas penampang:

Ap = (πDp2) / 4

Ap = [π(0,20)2] / 4

Ap = 0,031416 m2

Kecepatan aliran:

Vp = Q / Ap

Vp = 1,114 m/s

Reynolds number:

Re = (VpDp) / ν

Re = 2,23 × 105

Dengan persamaan Swamee–Jain:

f = 0,01707

Major loss:

hf = f(Lp/Dp)(Vp2/2g)

hf = 0,648 m

Minor loss:

hm = ΣK(Vp2/2g)

hm = 0,158 m

Total:

hL = 0,806 m

Net head:

Hnet = Hg – hL

Hnet = 49,194 m

Head loss hanya sekitar 1,61% dari gross head.


2. Daya Hidrolik

Ph = ρgQHnet

Ph = 1000(9,81)(0,035)(49,194)

Ph = 16,89 kW


3. Nozzle dan Jet

Kecepatan ideal:

Videal = √(2gHnet)

Videal = 31,07 m/s

Kecepatan jet aktual:

Vj = CvVideal

Vj = 30,446 m/s

Luas jet:

Aj = Q / Vj

Aj = 1,1496 × 10-3 m2

Diameter jet:

d = √(4Aj/π)

d = 38,26 mm


4. Runner dan Bucket

Kecepatan tangensial target:

u = φVj

u = 0,46(30,446)

u = 14,005 m/s

Diameter teoritis:

D = 60u / (πn)

Dteoritis = 445,8 mm

Dipilih:

Drunner = 450 mm

Kecepatan tangensial aktual:

U = πDn / 60

U = 14,137 m/s

Speed ratio aktual:

φaktual = U / Vj

φaktual = 0,464

Jet ratio:

m = D / d

m = 11,76

Jumlah bucket:

Z = D/(2d) + 15

Z = 20,88

Z = 21

Dimensi awal bucket:

B = 5d = 191,3 mm

Lb = 2,5d = 95,6 mm

Tb = 1,2d = 45,9 mm

[Gambar 1. Skema runner, bucket, dan nozzle Turbin Pelton]


5. Analisis Velocity Triangle

Kondisi Inlet

Pada sisi masuk bucket, jet dianggap datang secara tangensial sehingga:

V1 = Vj

V1 = 30,446 m/s

Kecepatan bucket:

U = 14,137 m/s

Kecepatan relatif masuk:

Vr1 = V1 – U

Vr1 = 30,446 – 14,137

Vr1 = 16,309 m/s

Karena jet masuk secara tangensial:

Vw1 = V1

Vw1 = 30,446 m/s

Kondisi Outlet

Dengan koefisien bucket:

k = 0,90

maka:

Vr2 = kVr1

Vr2 = 0,90(16,309)

Vr2 = 14,678 m/s

Komponen relatif keluar pada arah tangensial:

Vr2,x = -Vr2 cos β

dengan:

β = 15°

sehingga:

Vr2,x = -14,678 cos 15°

Whirl velocity outlet:

Vw2 = U – Vr2 cos β

Vw2 ≈ -0,041 m/s

Flow velocity outlet:

Vf2 = Vr2 sin β

Vf2 = 3,799 m/s

Absolute outlet velocity:

V2 = √(Vw22 + Vf22)

V2 ≈ 3,799 m/s

Nilai Vw2 yang sangat dekat dengan nol menunjukkan bahwa air meninggalkan bucket dengan komponen momentum tangensial yang sangat kecil. Secara fisik, kondisi tersebut menunjukkan bahwa sebagian besar momentum tangensial jet telah diserahkan kepada runner.


6. Gaya, Torsi, dan Daya Runner

Mass flow rate:

ṁ = ρQ

ṁ = 35 kg/s

Gaya tangensial:

Ft = ṁ(Vw1 – Vw2)

Ft = 35(30,446 – (-0,041))

Ft ≈ 1067 N

Daya runner berdasarkan momentum:

Prunner = FtU

Prunner = 1067(14,137)

Prunner = 15,085 kW

Daya kinetik jet:

Pjet = (1/2)ρQVj2

Pjet = 16,222 kW

Torsi momentum:

TF = Ftr

TF = 1067(0,225)

TF = 240,1 N·m


7. Analisis Efisiensi Turbin

Analisis efisiensi dipisahkan menjadi beberapa tahap agar sumber kerugian dapat dipahami.

Efisiensi Nozzle

Karena:

Vj = CvVideal

maka:

ηnozzle = Vj2 / Videal2 = Cv2

ηnozzle = 0,982

ηnozzle = 96,04%

Efisiensi Hidrolik Runner

ηrunner = Prunner / Pjet

ηrunner = 15,085 / 16,222

ηrunner = 92,99%

Efisiensi ini menggambarkan kemampuan runner mengubah daya kinetik jet menjadi daya pada runner menurut model velocity triangle.

Efisiensi Konversi Hidrolik

Jika dibandingkan terhadap daya hidrolik pada net head:

ηhyd = Prunner / Ph

ηhyd = 15,085 / 16,891

ηhyd = 89,31%

Estimasi Efisiensi Turbin

Untuk memasukkan rugi mekanik digunakan asumsi efisiensi mekanik:

ηm = 0,95

Sehingga:

ηt,calc = ηnozzle ηrunner ηm

ηt,calc = 0,9604(0,9299)(0,95)

ηt,calc = 84,84%

Efisiensi hasil analisis sebesar 84,84% sangat dekat dengan efisiensi turbin desain:

ηt,design = 85%

Perbedaan hanya sekitar 0,16 poin persentase. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan efisiensi desain 85% konsisten dengan analisis velocity triangle pada kondisi operasi yang dipilih.

[Gambar 3. Speed Ratio terhadap Turbine Efficiency – hasil MATLAB]


8. Daya Mekanik dan Daya Listrik

Untuk menjaga konsistensi laporan, daya poros desain dihitung dengan efisiensi turbin 85%:

Pm = ηtPh

Pm = 0,85(16,891)

Pm = 14,36 kW

Kecepatan sudut:

ω = 2πn / 60

ω = 62,83 rad/s

Torsi nominal:

T = Pm / ω

T = 228,5 N·m

Daya listrik:

Pe = ηgPm

Pe = 0,92(14,357)

Pe = 13,21 kW

Overall efficiency:

ηoverall = ηtηg

ηoverall = 78,2%

Hubungan daya memenuhi:

Pe < Pm < Ph

13,21 < 14,36 < 16,89 kW

sehingga konsisten terhadap prinsip konservasi energi.


9. Perancangan Awal Poros

Untuk pemeriksaan konservatif digunakan torsi momentum:

Td = 240 N·m

Dengan asumsi material/desain:

τizin = 40 MPa

diameter teoritis:

ds = ∛[16T / (πτ)]

ds ≈ 31,3 mm

Dipilih diameter awal:

dshaft = 40 mm

Nilai tersebut belum final karena desain aktual perlu mempertimbangkan bending, fatigue, keyway, bearing, berat runner, dan critical speed.


10. Generator dan Sistem Transmisi

Jika generator menggunakan kecepatan nominal sekitar 1500 rpm:

i = ngen / nrunner

i = 1500 / 600

i = 2,5

Dengan demikian dapat digunakan transmisi belt-pulley dengan rasio peningkatan putaran sekitar 1:2,5.

Generator dengan kapasitas nominal sedikit di atas daya listrik desain sekitar 13,21 kW dapat dipertimbangkan. Pemilihan aktual memerlukan karakteristik generator yang nyata.


11. Pukulan Air dan Ketebalan Penstock

Dengan asumsi:

tc = 5 s

lonjakan head:

ΔH = (2LpVp) / (gtc)

ΔH = 5,45 m

Tekanan maksimum:

pmaks = ρg(Hg + ΔH)

pmaks = 0,544 MPa

Dengan asumsi:

σizin = 100 MPa

e = 0,85

ketebalan akibat tekanan:

t = pD / (2σe)

t ≈ 0,64 mm

Dengan allowance korosi 1,5 mm:

tmin ≈ 2,14 mm

Dipilih sebagai desain awal:

tdesain = 4 mm


12. Parametric Study dan Grafik Cartesian

Grafik pertama menunjukkan hubungan gross head terhadap daya hidrolik, mekanik, dan listrik. Dengan debit tetap, kenaikan head menghasilkan kenaikan daya yang hampir linear.

Grafik kedua menunjukkan hubungan debit terhadap daya. Berbeda dengan head, perubahan debit juga mengubah kecepatan di dalam penstock sehingga head loss berubah. Oleh sebab itu, hubungan debit terhadap daya tidak sepenuhnya linear.

Grafik ketiga menunjukkan hubungan antara speed ratio dan efisiensi Turbin Pelton berdasarkan velocity triangle. Grafik tersebut penting karena menunjukkan bahwa terdapat daerah operasi optimum. Jika runner terlalu lambat atau terlalu cepat terhadap jet, transfer momentum menurun dan efisiensi berkurang.

13. Engineering Design Validation

PemeriksaanHasilStatus
Net head < Gross head49,194 < 50 mMemenuhi
Head loss1,61%Memenuhi
Design speed ratio0,464Memenuhi
Jet ratio11,76Memenuhi
Number of buckets21Realistis
Runner hydraulic efficiency92,99%Konsisten
Calculated turbine efficiency84,84%Sangat dekat 85%
Pm<PhP_m<P_h14,36 < 16,89 kWMemenuhi
Pe<PmP_e<P_m13,21 < 14,36 kWMemenuhi
Momentum power > design shaft power15,085 > 14,357 kWKonsisten
Runner theoretical → design445,8 → 450 mmMemenuhi

Pembahasan

Hasil perancangan menunjukkan keterkaitan yang konsisten antara kondisi sumber air, kecepatan jet, kecepatan runner, dan daya keluaran. Net head sebesar 49,194 m menghasilkan kecepatan jet sekitar 30,45 m/s. Dengan runner berdiameter 450 mm pada putaran 600 rpm diperoleh kecepatan tangensial sekitar 14,14 m/s dan speed ratio 0,464.

Analisis velocity triangle menunjukkan bahwa komponen whirl velocity air pada outlet hanya sekitar −0,041 m/s. Nilai yang mendekati nol menunjukkan bahwa sebagian besar momentum tangensial air telah berpindah kepada runner.

Efisiensi hidrolik runner berdasarkan momentum sebesar 92,99%. Setelah kerugian nozzle dan efisiensi mekanik diperhitungkan, efisiensi turbin teoritis diperkirakan sebesar 84,84%. Nilai ini hampir sama dengan efisiensi desain sebesar 85%, sehingga terdapat konsistensi antara asumsi desain dan model momentum.

Grafik hubungan speed ratio terhadap efisiensi juga akan memperlihatkan bahwa kinerja turbin mempunyai titik optimum. Runner yang bergerak terlalu lambat tidak memanfaatkan kecepatan jet secara optimal, sedangkan runner yang terlalu cepat mengurangi kecepatan relatif air terhadap bucket.

Diameter penstock 200 mm menghasilkan kehilangan head yang kecil. Namun diameter tersebut belum tentu optimum secara ekonomi karena kecepatan hanya sekitar 1,114 m/s. Optimasi lebih lanjut perlu mempertimbangkan biaya pipa terhadap nilai energi yang hilang.

Dimensi bucket merupakan hasil pendekatan awal dan belum mencakup geometri splitter maupun profil tiga dimensi. Karena itu, pengembangan CAD, CFD, FEA, dan pengujian prototipe menjadi langkah lanjutan.

Refleksi CCIT

Analisis menunjukkan bahwa model ideal selalu memiliki keterbatasan. Kedekatan hasil teoritis dengan asumsi desain tidak berarti sistem telah terbukti bekerja dengan efisiensi yang sama di lapangan. Hasil perhitungan tetap perlu diverifikasi melalui pengukuran dan eksperimen.


I. KESIMPULAN, PENUTUP, DAN REKOMENDASI

Kesimpulan

Berdasarkan gross head 50 m dan debit 0,035 m³/s, total head loss sebesar 0,806 m menghasilkan net head 49,194 m.

Daya hidrolik yang tersedia sebesar 16,89 kW. Kecepatan jet diperoleh sebesar 30,45 m/s dengan diameter jet 38,26 mm.

Runner teoritis memiliki diameter 445,8 mm dan dipilih diameter desain 450 mm pada 600 rpm. Speed ratio aktual sebesar 0,464 dan jet ratio 11,76. Runner menggunakan 21 bucket dengan lebar sekitar 191 mm, panjang 96 mm, dan kedalaman 46 mm.

Analisis velocity triangle menghasilkan kecepatan relatif inlet 16,309 m/s, kecepatan relatif outlet 14,678 m/s, dan whirl velocity outlet sekitar −0,041 m/s. Kondisi tersebut menunjukkan transfer momentum tangensial yang tinggi.

Efisiensi nozzle sebesar 96,04%, efisiensi hidrolik runner 92,99%, dan estimasi efisiensi turbin setelah memperhitungkan efisiensi mekanik sekitar 84,84%. Nilai tersebut sangat dekat dengan asumsi efisiensi desain 85%.

Daya mekanik desain sebesar 14,36 kW dengan torsi nominal 228,5 N·m. Setelah generator dengan efisiensi 92%, daya listrik diperkirakan sebesar 13,21 kW.

Secara konseptual, Turbin Pelton satu nozzle dengan runner diameter 450 mm dan putaran 600 rpm sesuai untuk kondisi mikrohidro pada studi ini. Namun survei kondisi lapangan, pengembangan geometri bucket, analisis struktur, dan pengujian eksperimen tetap diperlukan sebelum konstruksi.

Penutup

Perancangan menunjukkan bahwa performa Turbin Pelton tidak hanya ditentukan oleh satu dimensi, melainkan merupakan hasil hubungan antara head, debit, penstock, nozzle, kecepatan jet, runner, velocity triangle, gaya, torsi, dan efisiensi.

Rekomendasi

Survei lapangan aktual perlu dilakukan untuk memperoleh head dan debit musiman. Setelah itu desain perlu dihitung ulang menggunakan data aktual, dilanjutkan dengan optimasi penstock, pengembangan CAD bucket, CFD, FEA, analisis poros secara lengkap, pemilihan generator, pembuatan prototipe, dan pengujian efisiensi.


J. UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kesempatan dan ilmu yang memungkinkan penyusunan perancangan ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada dosen pengampu mata kuliah Sistem Konversi Energi, keluarga, rekan mahasiswa, dan seluruh pihak yang mendukung proses pembelajaran.


K. DAFTAR PUSTAKA

Bansal, R. K. (2005). A Textbook of Fluid Mechanics and Hydraulic Machines. New Delhi: Laxmi Publications.

Chaudhry, M. H. (2014). Applied Hydraulic Transients (3rd ed.). New York: Springer.

Dixon, S. L., & Hall, C. A. (2014). Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery (7th ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann.

Harvey, A., Brown, A., Hettiarachchi, P., & Inversin, A. (1993). Micro-Hydro Design Manual: A Guide to Small-Scale Water Power Schemes. London: ITDG Publishing.

Nechleba, M. (1957). Hydraulic Turbines: Their Design and Equipment. Prague: Artia.

Penche, C. (1998). Layman’s Guidebook on How to Develop a Small Hydro Site (2nd ed.). Brussels: European Small Hydropower Association.

Swamee, P. K., & Jain, A. K. (1976). Explicit equations for pipe-flow problems. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 102(5), 657–664.

White, F. M. (2016). Fluid Mechanics (8th ed.). New York: McGraw-Hill Education.


L. LAMPIRAN

Lampiran A. Daftar Rumus

Ap = (πDp2) / 4

Vp = Q / Ap

Re = (VpDp) / ν

hf = f(L/D)(V2/2g)

hm = ΣK(V2/2g)

Hnet = Hg – hf – hm

Ph = ρgQHnet

Vj = Cv√(2gHnet)

d = √[4Q / (πVj)]

U = πDn / 60

Vr1 = V1 – U

Vr2 = kVr1

Vw2 = U – Vr2 cos β

Ft = ṁ(Vw1 – Vw2)

T = Fr

P = Tω

ηrunner = Prunner / Pjet

ηt = ηnozzleηrunnerηm


Lampiran B. Rekapitulasi Parameter Final

ParameterSimbolNilaiSatuan
Gross headHgH_g50m
Net headHnetH_{net}49,194m
DebitQQ0,035m³/s
Penstock velocityVpV_p1,114m/s
Reynolds numberReRe2,23×1052,23\times10^5–
Friction factorff0,01707–
Hydraulic powerPhP_h16,89kW
Jet velocityVjV_j30,45m/s
Jet diameterdd38,26mm
Runner diameterDD450mm
Runner speednn600rpm
Speed ratioϕ\phi0,464–
Jet ratiomm11,76–
Number of bucketsZZ21buah
Relative inlet velocityVr1V_{r1}16,309m/s
Relative outlet velocityVr2V_{r2}14,678m/s
Outlet whirl velocityVw2V_{w2}−0,041m/s
Runner efficiencyηr\eta_r92,99%
Calculated turbine efficiencyηt,calc\eta_{t,calc}84,84%
Design turbine efficiencyηt\eta_t85%
Mechanical powerPmP_m14,36kW
Electrical powerPeP_e13,21kW
Nominal torqueTT228,5N·m
Shaft diameterdsd_s40mm

Lampiran C. The 33 DAI5 Implementation Evaluation Criteria

No.Kriteria DAI5Implementasi dalam Laporan
1Consciousness of PurposePerancangan dilakukan dengan kesadaran bahwa ilmu engineering digunakan untuk memanfaatkan energi air secara bertanggung jawab dan bermanfaat bagi masyarakat.
2Self-awarenessPenulis menyadari bahwa desain masih menggunakan data studi dan belum didasarkan pada survei lapangan maupun pengujian fisik.
3Ethical ConsiderationsPerancangan mempertimbangkan keselamatan, kebutuhan masyarakat, debit lingkungan, serta dampak terhadap lingkungan sekitar.
4Integration of CCITKetelitian, kejujuran terhadap data, dan keterbukaan dalam menyatakan asumsi dijadikan bagian dari tanggung jawab dalam menggunakan ilmu engineering.
5Critical ReflectionHasil perhitungan dievaluasi kembali berdasarkan keterbatasan model, asumsi, dan kebutuhan validasi lebih lanjut.
6Continuum of AwarenessKesadaran terhadap akurasi, keterbatasan, keselamatan, dan tanggung jawab dipertahankan sepanjang proses perancangan.
7Clarity of IntentProyek memiliki tujuan yang jelas, yaitu merancang Turbin Pelton untuk aplikasi mikrohidro skala desa.
8Alignment of ObjectivesPerhitungan nozzle, runner, bucket, poros, daya, dan efisiensi diarahkan untuk mencapai tujuan utama perancangan.
9Relevance of IntentPerancangan difokuskan pada kebutuhan pembangkit mikrohidro yang relevan dengan kondisi pedesaan.
10Sustainability FocusDesain mempertimbangkan energi terbarukan, debit lingkungan, perubahan debit musiman, dan keberlanjutan sumber air.
11Focus on QualityKualitas desain dijaga melalui konsistensi satuan, validasi hasil, dan penggunaan parameter yang sama pada laporan maupun MATLAB.
12Problem UnderstandingMasalah dijelaskan melalui hubungan antara head, debit, rugi penstock, nozzle, runner, gaya, torsi, dan daya.
13Stakeholder AwarenessPerancangan mempertimbangkan masyarakat pengguna listrik, pengguna air, operator PLTMH, dan lingkungan.
14Contextual AnalysisAnalisis ditempatkan dalam konteks sistem mikrohidro skala desa dengan head relatif tinggi dan debit sedang.
15Root Cause AnalysisFaktor penyebab penurunan performa seperti head loss, diameter penstock, perubahan debit, dan ketidaksesuaian runner dianalisis.
16Relevance of AnalysisSetiap analisis berkaitan langsung dengan keputusan desain Turbin Pelton dan tidak hanya bersifat teoritis.
17Use of Data and EvidenceData studi, asumsi desain, hasil perhitungan, dan keputusan desain dibedakan secara jelas.
18Assumption ClarityParameter yang belum berasal dari pengukuran dinyatakan secara eksplisit sebagai asumsi desain.
19Creativity and InnovationAnalisis menggabungkan hidrolik, velocity triangle, desain mekanik, efisiensi, studi parametrik, dan MATLAB.
20Physical RealismHasil diperiksa dengan prinsip fisika melalui konservasi energi, jet ratio, speed ratio, gaya momentum, torsi, dan efisiensi.
21Alignment with IntentKonfigurasi turbin tetap diarahkan pada sistem yang sederhana, realistis, dan sesuai untuk mikrohidro skala desa.
22Scalability and AdaptabilityDesain dapat dihitung ulang apabila head, debit, RPM, atau kondisi lapangan berubah.
23Simplicity and EleganceSistem menggunakan konfigurasi satu nozzle dan satu runner agar sederhana dalam analisis, operasi, dan perawatan.
24Clarity of StepsPerancangan dilakukan secara berurutan mulai dari penstock hingga validasi akhir.
25ComprehensivenessAnalisis mencakup aspek hidrolik, mekanik, efisiensi, transmisi daya, water hammer, simulasi, dan evaluasi hasil.
26Physical InterpretationSetiap hasil penting dijelaskan makna fisiknya terhadap performa dan desain Turbin Pelton.
27Error MinimizationPembulatan tidak dilakukan terlalu dini, satuan dijaga konsisten, dan hasil diperiksa kembali setelah keputusan desain dibuat.
28Verification and ValidationHasil diperiksa melalui engineering design check dan dibandingkan dengan pendekatan momentum, daya, dan velocity triangle.
29Iterative ApproachJika hasil belum sesuai, parameter seperti diameter runner, RPM, nozzle, atau debit dapat diubah dan dihitung ulang.
30Sustainability IntegrationRekomendasi mencakup debit lingkungan, pengukuran debit musiman, peningkatan efisiensi, dan pemanfaatan energi air secara berkelanjutan.
31Communication EffectivenessHasil disajikan menggunakan paragraf, tabel, persamaan, grafik, velocity triangle, ilustrasi, dan kode MATLAB agar mudah dipahami.
32Alignment with the DAI5 FrameworkProses perancangan mengikuti alur kesadaran, tujuan, pemahaman masalah, idealisasi, pelaksanaan, evaluasi, dan perbaikan.
33Documentation QualityLaporan disusun secara sistematis dengan perhitungan, tabel, grafik, referensi, validasi, MATLAB, dan lampiran pendukung.

Lampiran D. Kode MATLAB

Kode berikut sudah disesuaikan dengan laporan utama. Script menghasilkan tiga grafik Cartesian utama, velocity triangle, perhitungan efisiensi, dan ringkasan hasil. Script ini belum diklaim telah dijalankan di MATLAB.

%% ================================================================
% ANALISIS GRAFIK DAN VELOCITY TRIANGLE TURBIN PELTON
%
% Grafik 1 : Gross Head vs Power
% Grafik 2 : Flow Rate vs Power
% Grafik 3 : Speed Ratio vs Turbine Efficiency
% Grafik 4 : Inlet Velocity Triangle
% Grafik 5 : Outlet Velocity Triangle
%% ================================================================

clear;
clc;
close all;

%% ================================================================
%% DATA DESAIN UTAMA
%% ================================================================

% Kondisi sumber air
Hg = 50; % Gross head [m]
Q = 0.035; % Debit desain [m^3/s]

% Penstock
Lp = 120; % Panjang penstock [m]
Dp = 0.20; % Diameter penstock [m]
eps = 0.045e-3; % Kekasaran absolut [m]
Ksum = 2.5; % Total minor loss coefficient [-]

% Sifat air
rho = 1000; % Massa jenis air [kg/m^3]
g = 9.81; % Percepatan gravitasi [m/s^2]
nu = 1.0e-6; % Viskositas kinematik [m^2/s]

% Turbin Pelton
Cv = 0.98; % Coefficient of velocity
phi = 0.46; % Speed ratio
n = 600; % Putaran runner [rpm]
D = 0.450; % Diameter runner aktual [m]

% Efisiensi
eta_t = 0.85; % Efisiensi turbin desain
eta_g = 0.92; % Efisiensi generator
eta_m = 0.95; % Efisiensi mekanik asumsi

% Parameter velocity triangle
k_bucket = 0.90; % Koefisien kecepatan relatif bucket
beta_deg = 15; % Sudut deviasi outlet [degree]
beta = deg2rad(beta_deg);

%% ================================================================
%% PERHITUNGAN KONDISI DESAIN
%% ================================================================

% Luas penampang penstock
Ap = pi*Dp^2/4;

% Kecepatan aliran
Vp = Q/Ap;

% Reynolds number
Re = Vp*Dp/nu;

% Friction factor Swamee-Jain
f = 0.25 / …
(log10(eps/(3.7*Dp) + 5.74/(Re^0.9))^2);

% Major loss
hf = f*(Lp/Dp)(Vp^2/(2g));

% Minor loss
hm = Ksum*(Vp^2/(2*g));

% Total head loss
hL = hf + hm;

% Net head
Hnet = Hg – hL;

% Hydraulic power
Ph = rhogQ*Hnet;

% Mechanical power
Pm = eta_t*Ph;

% Electrical power
Pe = eta_g*Pm;

%% ================================================================
%% NOZZLE DAN RUNNER
%% ================================================================

% Kecepatan jet
V1 = Cvsqrt(2g*Hnet);

% Bucket velocity
U = piDn/60;

% Actual speed ratio
phi_actual = U/V1;

% Relative inlet velocity
Vr1 = V1 – U;

%% ================================================================
%% OUTLET VELOCITY TRIANGLE
%% ================================================================

% Relative outlet velocity
Vr2 = k_bucket*Vr1;

% Komponen relative outlet velocity
Vr2x = -Vr2cos(beta);
Vr2y = Vr2
sin(beta);

% Komponen absolute outlet velocity
Vw2 = U + Vr2x;
Vf2 = Vr2y;

% Absolute outlet velocity
V2 = sqrt(Vw2^2 + Vf2^2);

%% ================================================================
%% GRAFIK 1
% GROSS HEAD VS POWER
%% ================================================================

Hg_range = linspace(20,60,100);

% Pada debit tetap, head loss penstock dianggap tetap
Hnet_H = Hg_range – hL;

Hnet_H(Hnet_H <= 0) = NaN;

% Hydraulic power
Ph_H = rhogQ.*Hnet_H;

% Mechanical power
Pm_H = eta_t.*Ph_H;

% Electrical power
Pe_H = eta_g.*Pm_H;

figure;

plot(Hg_range,Ph_H/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

hold on;

plot(Hg_range,Pm_H/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

plot(Hg_range,Pe_H/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

% Titik kondisi desain
plot(Hg,Ph/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

plot(Hg,Pm/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

plot(Hg,Pe/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

grid on;
box on;

xlabel(‘Gross Head, H_g (m)’);
ylabel(‘Power (kW)’);

title(‘Gross Head vs Pelton Turbine Power’);

legend(…
‘Hydraulic Power’,…
‘Mechanical Power’,…
‘Electrical Power’,…
‘Design Hydraulic Power’,…
‘Design Mechanical Power’,…
‘Design Electrical Power’,…
‘Location’,’best’);

%% ================================================================
%% GRAFIK 2
% FLOW RATE VS POWER
%% ================================================================

Q_range = linspace(0.015,0.050,150);

% Kecepatan penstock
Vp_Q = Q_range./Ap;

% Reynolds number
Re_Q = Vp_Q.*Dp./nu;

% Friction factor
f_Q = 0.25 ./ …
(log10(eps/(3.7*Dp) + …
5.74./(Re_Q.^0.9)).^2);

% Major loss
hf_Q = …
f_Q.(Lp/Dp).…
(Vp_Q.^2/(2*g));

% Minor loss
hm_Q = …
Ksum.…
(Vp_Q.^2/(2
g));

% Net head
Hnet_Q = …
Hg – hf_Q – hm_Q;

% Hydraulic power
Ph_Q = …
rho*g.*Q_range.*Hnet_Q;

% Mechanical power
Pm_Q = eta_t.*Ph_Q;

% Electrical power
Pe_Q = eta_g.*Pm_Q;

figure;

plot(Q_range,Ph_Q/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

hold on;

plot(Q_range,Pm_Q/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

plot(Q_range,Pe_Q/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

% Titik kondisi desain
plot(Q,Ph/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

plot(Q,Pm/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

plot(Q,Pe/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

grid on;
box on;

xlabel(‘Flow Rate, Q (m^3/s)’);
ylabel(‘Power (kW)’);

title(‘Flow Rate vs Pelton Turbine Power’);

legend(…
‘Hydraulic Power’,…
‘Mechanical Power’,…
‘Electrical Power’,…
‘Design Hydraulic Power’,…
‘Design Mechanical Power’,…
‘Design Electrical Power’,…
‘Location’,’best’);

%% ================================================================
%% GRAFIK 3
% SPEED RATIO VS TURBINE EFFICIENCY
%% ================================================================

phi_range = linspace(0.15,0.70,300);

% Efisiensi runner dari velocity triangle
eta_runner_phi = …
2.phi_range.…
(1-phi_range).…
(1+k_bucket
cos(beta));

% Efisiensi turbin
eta_t_phi = …
Cv^2 .* …
eta_runner_phi .* …
eta_m;

% Efisiensi pada kondisi aktual
eta_runner_actual = …
2phi_actual…
(1-phi_actual)…
(1+k_bucket
cos(beta));

eta_t_actual = …
Cv^2 * …
eta_runner_actual * …
eta_m;

figure;

plot(…
phi_range,…
eta_t_phi*100,…
‘LineWidth’,1.8);

hold on;

% Titik operasi turbin aktual
plot(…
phi_actual,…
eta_t_actual*100,…
‘o’,…
‘MarkerSize’,9,…
‘LineWidth’,1.8);

% Garis efisiensi desain
yline(…
eta_t*100,…
‘–‘,…
‘Design Efficiency = 85%’,…
‘LineWidth’,1.2);

grid on;
box on;

xlabel(‘Speed Ratio, \phi = U/V_j’);
ylabel(‘Turbine Efficiency (%)’);

title(‘Speed Ratio vs Pelton Turbine Efficiency’);

legend(…
‘Velocity Triangle Model’,…
‘Actual Operating Point’,…
‘Location’,’best’);

%% ================================================================
%% GRAFIK 4
% INLET VELOCITY TRIANGLE
%% ================================================================

figure;

hold on;
grid on;
box on;
axis equal;

% ————————————————
% Bucket velocity U
% ————————————————

h1 = quiver(…
0,0,…
U,0,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% ————————————————
% Relative inlet velocity Vr1
% Dimulai dari ujung vector U
% ————————————————

h2 = quiver(…
U,0,…
Vr1,0,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% ————————————————
% Absolute inlet velocity V1
% ————————————————

h3 = quiver(…
0,0,…
V1,0,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% Label vector
text(…
U/2,…
0.8,…
‘U’,…
‘FontSize’,11);

text(…
U + Vr1/2,…
-1.0,…
‘V_{r1}’,…
‘FontSize’,11);

text(…
V1/2,…
1.8,…
‘V_1’,…
‘FontSize’,11);

xlabel(‘Tangential Velocity Component (m/s)’);
ylabel(‘Flow Velocity Component (m/s)’);

title(‘Inlet Velocity Triangle – Pelton Turbine’);

legend(…
[h1 h2 h3],…
‘Bucket Velocity U’,…
‘Relative Velocity V_{r1}’,…
‘Absolute Velocity V_1’,…
‘Location’,’best’);

xlim([-2 V1+5]);
ylim([-5 5]);

%% ================================================================
%% GRAFIK 5
% OUTLET VELOCITY TRIANGLE
%% ================================================================

figure;

hold on;
grid on;
box on;
axis equal;

% ————————————————
% Bucket velocity U
% ————————————————

h4 = quiver(…
0,0,…
U,0,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% ————————————————
% Relative outlet velocity Vr2
% ————————————————

h5 = quiver(…
U,0,…
Vr2x,Vr2y,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% ————————————————
% Absolute outlet velocity V2
% ————————————————

h6 = quiver(…
0,0,…
Vw2,Vf2,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% Label U
text(…
U/2,…
-0.9,…
‘U’,…
‘FontSize’,11);

% Label Vr2
text(…
U + Vr2x/2,…
Vr2y/2 + 0.7,…
‘V_{r2}’,…
‘FontSize’,11);

% Label V2
text(…
Vw2/2 – 0.8,…
Vf2/2,…
‘V_2’,…
‘FontSize’,11);

xlabel(‘Tangential Velocity Component (m/s)’);
ylabel(‘Flow Velocity Component (m/s)’);

title(‘Outlet Velocity Triangle – Pelton Turbine’);

legend(…
[h4 h5 h6],…
‘Bucket Velocity U’,…
‘Relative Velocity V_{r2}’,…
‘Absolute Velocity V_2’,…
‘Location’,’best’);

xlim([-5 U+5]);
ylim([-2 Vr2+5]);

%% ================================================================
%% OUTPUT HASIL UTAMA
%% ================================================================

fprintf(‘\n’);
fprintf(‘====================================================\n’);
fprintf(‘ PELTON TURBINE GRAPH ANALYSIS\n’);
fprintf(‘====================================================\n’);

fprintf(‘\nDESIGN CONDITION\n’);

fprintf(‘Gross Head = %.3f m\n’,Hg);
fprintf(‘Net Head = %.3f m\n’,Hnet);
fprintf(‘Flow Rate = %.5f m^3/s\n’,Q);

fprintf(‘\nPOWER\n’);

fprintf(‘Hydraulic Power = %.3f kW\n’,…
Ph/1000);

fprintf(‘Mechanical Power = %.3f kW\n’,…
Pm/1000);

fprintf(‘Electrical Power = %.3f kW\n’,…
Pe/1000);

fprintf(‘\nVELOCITY TRIANGLE – INLET\n’);

fprintf(‘Absolute Velocity V1 = %.3f m/s\n’,V1);
fprintf(‘Bucket Velocity U = %.3f m/s\n’,U);
fprintf(‘Relative Velocity Vr1 = %.3f m/s\n’,Vr1);

fprintf(‘\nVELOCITY TRIANGLE – OUTLET\n’);

fprintf(‘Relative Velocity Vr2 = %.3f m/s\n’,Vr2);
fprintf(‘Whirl Velocity Vw2 = %.3f m/s\n’,Vw2);
fprintf(‘Flow Velocity Vf2 = %.3f m/s\n’,Vf2);
fprintf(‘Absolute Velocity V2 = %.3f m/s\n’,V2);

fprintf(‘\nEFFICIENCY\n’);

fprintf(‘Actual Speed Ratio = %.4f\n’,…
phi_actual);

fprintf(‘Calculated Efficiency = %.2f %%\n’,…
eta_t_actual*100);

fprintf(‘Design Efficiency = %.2f %%\n’,…
eta_t*100);

fprintf(‘====================================================\n’);

Demikian laporan tugas besar saya, saya ucapkan terima kasih.
وَالسَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ



Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *