A. PROJECT TITLE

Perancangan dan Analisis Turbin Uap Impuls De Laval Satu Tingkat untuk Pembangkitan Daya 100 kW

---

B. AUTHOR COMPLETE NAME

Feriyanto Prabowo

---

C. AFFILIATION

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

---

D. ABSTRACT

Turbin uap merupakan salah satu mesin konversi energi yang digunakan untuk mengubah energi termal dan energi aliran uap menjadi energi mekanik. Salah satu konfigurasi sederhana dari turbin uap adalah turbin impuls De Laval satu tingkat. Pada turbin impuls, penurunan tekanan utama terjadi pada nosel sehingga energi entalpi uap dikonversi menjadi energi kinetik sebelum aliran memasuki rotor.

Proyek akhir ini bertujuan melakukan perancangan awal dan analisis turbin uap impuls De Laval satu tingkat dengan target daya poros sebesar 100 kW. Perancangan dilakukan menggunakan pendekatan analitis dengan mempertimbangkan kondisi termodinamika uap, ekspansi pada nosel, segitiga kecepatan, persamaan Euler untuk turbin, rasio kecepatan, serta efisiensi mekanis. Kondisi awal yang digunakan adalah tekanan uap masuk 5 bar(a), temperatur 300 °C, dan tekanan keluar 0,8 bar(a).

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa penurunan entalpi isentropik sebesar 389,3 kJ/kg. Dengan efisiensi nosel 90%, kecepatan keluar nosel diperoleh sebesar 837,1 m/s. Rasio kecepatan optimum untuk konfigurasi sudu simetris diperoleh sebesar 0,470, menghasilkan kecepatan sudu sekitar 393,3 m/s. Kerja spesifik rotor sebesar 286,2 kJ/kg dan laju aliran massa yang diperlukan untuk menghasilkan daya poros 100 kW sebesar 0,368 kg/s. Dengan kecepatan putar 30.000 rpm, diameter rotor yang diperoleh sekitar 0,250 m. Efisiensi keseluruhan berdasarkan daya poros terhadap energi isentropik yang tersedia adalah sekitar 69,8%.

Kata kunci: turbin uap, turbin impuls, De Laval, segitiga kecepatan, rasio kecepatan, DAI5.

E. AUTHOR DECLARATION

1. Deep Awareness (of) I

Perancangan teknik merupakan proses penggunaan ilmu pengetahuan untuk menghasilkan solusi terhadap suatu permasalahan dengan tetap mempertimbangkan tanggung jawab terhadap hasil yang diperoleh. Dalam proyek ini, penulis menyadari bahwa kemampuan untuk memahami prinsip termodinamika, mekanika fluida, dan konversi energi merupakan bagian dari pengetahuan yang harus digunakan secara bertanggung jawab.

Perancangan turbin dilakukan dengan kesadaran bahwa hukum-hukum fisika yang digunakan merupakan bagian dari keteraturan alam yang diciptakan oleh Tuhan Yang Maha Esa. Oleh karena itu, proses perhitungan dilakukan dengan memperhatikan kejujuran akademik, keterbukaan terhadap asumsi, serta pemeriksaan terhadap hasil yang diperoleh.

Penulis juga menyadari bahwa proyek ini memiliki keterbatasan. Model yang digunakan merupakan model perancangan awal sehingga belum mempertimbangkan seluruh fenomena yang terjadi pada turbin nyata, seperti losses tiga dimensi, kebocoran, windage, tegangan material, dinamika rotor, dan detail manufaktur. Kesadaran terhadap keterbatasan tersebut menjadi bagian dari proses evaluasi hasil perancangan.

2. Intention of the Project Activity

Proyek ini dilakukan dengan tujuan memahami proses perancangan turbin uap impuls melalui penerapan prinsip-prinsip teknik yang telah dipelajari pada mata kuliah Sistem Konversi Energi.

Tujuan khusus proyek adalah:

1. Merancang konsep turbin uap impuls De Laval satu tingkat.
2. Menentukan kondisi termodinamika uap sebelum dan sesudah ekspansi.
3. Menghitung kecepatan keluar nosel.
4. Membentuk dan menganalisis segitiga kecepatan rotor.
5. Menentukan rasio kecepatan yang sesuai.
6. Menghitung kerja spesifik turbin.
7. Menentukan laju aliran massa untuk menghasilkan daya 100 kW.
8. Menentukan kecepatan putar dan diameter rotor.
9. Menganalisis pengaruh rasio kecepatan terhadap kerja dan efisiensi.
10. Melakukan verifikasi terhadap hasil berdasarkan konservasi energi dan momentum.

---

F. INTRODUCTION

1. Background

Turbin uap merupakan mesin konversi energi yang mengubah energi yang dimiliki oleh uap menjadi energi mekanik pada poros. Energi tersebut berasal dari kondisi tekanan dan temperatur uap yang kemudian mengalami ekspansi sehingga menghasilkan perubahan entalpi dan energi kinetik.

Berdasarkan prinsip konversi energinya, turbin uap secara umum dapat dibedakan menjadi turbin impuls dan turbin reaksi. Pada turbin impuls, penurunan tekanan utama terjadi pada nosel. Uap kemudian keluar dari nosel dengan kecepatan tinggi dan diarahkan menuju sudu rotor. Interaksi antara aliran uap dan sudu menghasilkan perubahan momentum yang kemudian menghasilkan torsi pada rotor.

Salah satu bentuk sederhana turbin impuls adalah turbin De Laval. Turbin ini menggunakan satu tingkat yang terdiri atas nosel dan satu baris rotor. Konfigurasi tersebut membuat turbin De Laval sesuai digunakan untuk mempelajari dasar perancangan turbin, khususnya hubungan antara ekspansi uap, kecepatan aliran, kecepatan sudu, segitiga kecepatan, dan kerja turbin.

Permasalahan yang muncul pada perancangan turbin De Laval adalah bagaimana menentukan kecepatan sudu yang sesuai terhadap kecepatan uap. Kecepatan sudu yang terlalu rendah menyebabkan sebagian energi kinetik uap tidak dapat dikonversikan secara optimal menjadi kerja. Sebaliknya, kecepatan sudu yang terlalu tinggi juga dapat menurunkan perubahan momentum tangensial.

Oleh karena itu, diperlukan analisis rasio kecepatan untuk memperoleh kondisi operasi yang sesuai.

2. Initial Thinking About the Problem

2.1 Identifikasi Masalah

Permasalahan utama dalam proyek ini adalah:

Bagaimana merancang turbin uap impuls De Laval satu tingkat yang mampu menghasilkan daya poros 100 kW berdasarkan kondisi uap dan parameter desain yang ditentukan?

Permasalahan tersebut dapat dibagi menjadi beberapa tahapan:

2.2 Decomposition of the Problem

Permasalahan kemudian diuraikan menjadi:

1. menentukan properti uap pada inlet;
2. menentukan kondisi outlet isentropik;
3. menentukan penurunan entalpi;
4. menghitung kecepatan keluar nosel;
5. menentukan kecepatan sudu;
6. menghitung segitiga kecepatan inlet;
7. menentukan kecepatan relatif;
8. menghitung segitiga kecepatan outlet;
9. menentukan kerja spesifik;
10. menentukan laju aliran massa;
11. menentukan diameter rotor;
12. mengevaluasi performa terhadap rasio kecepatan.

2.3 Physical Principle

Prinsip utama yang digunakan adalah:

• konservasi massa;
• konservasi energi;
• konservasi momentum;
• ekspansi isentropik sebagai kondisi referensi;
• persamaan Euler untuk turbomachinery;
• hubungan antara kecepatan absolut, relatif, dan kecepatan sudu.

Untuk turbin impuls, energi tekanan uap terlebih dahulu diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Rotor kemudian mengambil sebagian energi kinetik tersebut melalui perubahan momentum tangensial.

2.4 Engineering Gap

Konsep dasar turbin impuls dapat dijelaskan secara sederhana, tetapi proses desain membutuhkan hubungan antara parameter termodinamika dan parameter mekanis.

Oleh karena itu, proyek ini menghubungkan:

P, T, h, s → Δh → V1 → U, W1, W2, V2 → w → ṁ → D, N

Dengan pendekatan tersebut, desain turbin tidak dilakukan berdasarkan satu parameter saja, tetapi berdasarkan hubungan antarparameter.

---

G. METHODS & PROCEDURES

1. IDEALIZATION

1.1 Konsep Turbin

Turbin yang dirancang adalah:

Turbin uap impuls De Laval satu tingkat.

Konfigurasi sistem:

Steam Inlet → Nozzle → Rotor → Exhaust

Pada nosel terjadi penurunan tekanan dan peningkatan kecepatan.

Pada rotor, tekanan dianggap relatif konstan dan perubahan momentum aliran digunakan untuk menghasilkan kerja.

1.2 Data Awal

Parameter	Simbol	Nilai
Fluida kerja	—	Uap
Tekanan inlet	$P_1$	5 bar(a)
Temperatur inlet	$T_1$	300 °C
Tekanan outlet	$P_2$	0,8 bar(a)
Target daya poros	$P$	100 kW
Sudut nosel	$\alpha$	20°
Efisiensi nosel	$\eta_n$	90%
Blade velocity coefficient	$k$	0,85
Efisiensi mekanik	$\eta_m$	95%
Putaran desain	$N$	30.000 rpm

Properti uap diperoleh dari tabel termodinamika berbasis formulasi IAPWS/NIST. NIST menyatakan bahwa tabel tersebut menyediakan properti entalpi dan entropi air/uap berdasarkan formulasi IAPWS.

1.3 Asumsi

Asumsi yang digunakan:

1. Aliran steady-state.
2. Uap masuk dalam kondisi superheated.
3. Perubahan energi potensial diabaikan.
4. Kecepatan uap pada inlet sebelum nosel diabaikan.
5. Ekspansi utama terjadi pada nosel.
6. Turbin hanya memiliki satu tingkat.
7. Rotor terdiri dari satu baris sudu.
8. Sudu dianggap simetris sehingga $\beta_2=\beta_1.$
9. Kehilangan kecepatan relatif pada rotor direpresentasikan dengan $k=0,85$.
10. Efisiensi nosel sebesar 90%.
11. Efisiensi mekanik sebesar 95%.
12. Analisis dilakukan secara satu dimensi.
13. Kebocoran, windage, disk friction, dan losses tiga dimensi tidak dihitung secara eksplisit.
14. Analisis difokuskan pada preliminary design.
15. CAD dan analisis manufaktur tidak menjadi bagian proyek.

2. INSTRUCTION SET

2.1 Menentukan Properti Uap Inlet

Pada:

Dari tabel uap superheated diperoleh:

Nilai tersebut berasal dari tabel NIST pada 0,50 MPa dan 300 °C.

2.2 Menentukan Kondisi Outlet Isentropik

Tekanan outlet:

atau:

Untuk proses isentropik:

sehingga:

Pada 0,08 MPa, tabel NIST menunjukkan bahwa pada 95 °C:

an pada 100 °C:

T₂s = 95 + [(7,4614 − 7,4424) / (7,4699 − 7,4424)] × (100 − 95)

T₂s = 98,45 °C

Kemudian:

2.3 Penurunan Entalpi Isentropik

$\Delta h_{is}=h_1-h_{2s} \\ \Delta h_{is}=3064,6-2675,3 \\ \boxed{\Delta h_{is}=389,3\text{ kJ/kg}}$

Jadi, secara ideal tersedia sekitar:

energi spesifik untuk proses ekspansi.

2.4 Ekspansi Aktual pada Nosel

Efisiensi nosel didefinisikan:

$\eta_n= \frac{\Delta h_{aktual}} {\Delta h_{is}}$

Dengan:

$\eta_n=0,90$

maka:

$\Delta h_n = 0,90(389,3) \\\boxed{\Delta h_n=350,37\text{ kJ/kg}}$

Entalpi aktual setelah nosel:

$h_2=h_1-\Delta h_n \\ h_2=3064,6-350,37 \boxed{h_2=2714,23\text{ kJ/kg}}$

2.5 Kecepatan Keluar Nosel

Dengan mengabaikan kecepatan inlet:

$h_1=h_2+\frac{V_1^2}{2(1000)}$

sehingga:

$V_1= \sqrt{2(h_1-h_2)(1000)} \\V_1= \sqrt{2(350,37)(1000)} \\ \boxed{V_1=837,1\text{ m/s}}$

Jadi uap keluar dari nosel dengan kecepatan sekitar:

2.6 Menentukan Rasio Kecepatan Optimum

Rasio kecepatan didefinisikan:

$\phi=\frac{U}{V_1}$

Untuk sudu simetris dengan:

$\beta_2=\beta_1$

dan koefisien kecepatan relatif $k$, kerja rotor dapat dituliskan:

$w=U(1+k)(V_1\cos\alpha-U)$

Untuk mencari kondisi maksimum:

$\frac{dw}{dU}=0$

sehingga:

$U_{opt}=\frac{V_1\cos\alpha}{2}$

Maka:

$\phi_{opt} = \frac{U_{opt}}{V_1} = \frac{\cos\alpha}{2}$

Dengan:

$\alpha=20^\circ$

diperoleh:

$\phi_{opt} = \frac{\cos20^\circ}{2} \\\boxed{\phi_{opt}=0,4698\approx0,470}$

Jadi dipilih:

$\boxed{\phi=0,470}$

2.7 Kecepatan Sudu

$U=\phi V_1$

$U=0,4698(837,1)$

$\boxed{U=393,3\text{ m/s}}$

2.8 Segitiga Kecepatan Inlet

Komponen tangensial:
$V_{w1}=V_1\cos\alpha$
$V_{w1}=837,1\cos20^\circ$
$\boxed{V_{w1}=786,6\text{ m/s}}$

Komponen aksial:
$V_{f1}=V_1\sin\alpha$
$V_{f1}=837,1\sin20^\circ$
$\boxed{V_{f1}=286,3\text{ m/s}}$

Kecepatan relatif:
$W_1=\sqrt{(V_{w1}-U)^2+V_{f1}^2}$
$W_1=\sqrt{(786,6-393,3)^2+(286,3)^2}$
$\boxed{W_1=486,5\text{ m/s}}$

Sudut relatif inlet:
$\tan\beta_1=\frac{V_{f1}}{V_{w1}-U}$
$\tan\beta_1=\frac{286,3}{786,6-393,3}$
$\boxed{\beta_1\approx36,1^\circ}$

Karena sudu diasumsikan simetris:
$\boxed{\beta_2=\beta_1=36,1^\circ}$

2.9 Kecepatan Relatif Outlet

Blade velocity coefficient:

$k=\frac{W_2}{W_1}$

sehingga:

$W_2=kW_1$

$W_2=0,85(486,5)$

$\boxed{W_2=413,5\text{ m/s}}$

2.10 Segitiga Kecepatan Outlet

Komponen tangensial relatif pada outlet berlawanan arah dengan komponen tangensial inlet.

Maka:

$W_{w2}=W_2\cos\beta_2$

$W_{w2} = 413,5\cos36,1^\circ$

$W_{w2}\approx334,3\text{ m/s}$

Karena arah relatif berlawanan:

$V_{w2}=U-W_{w2}$

$V_{w2}=393,3-334,3$

$\boxed{V_{w2}=59,0\text{ m/s}}$

Komponen aksial:

$V_{f2}=W_2\sin\beta_2$

$V_{f2} = 413,5\sin36,1^\circ$

${V_{f2}=243,4\text{ m/s}}$

Kecepatan absolut keluar:

$V_2= \sqrt{V_{w2}^2+V_{f2}^2}$

$V_2= \sqrt{59,0^2+243,4^2}$

${V_2=250,4\text{ m/s}}$

2.11 Ringkasan Segitiga Kecepatan

Parameter	Inlet	Outlet
$V$	837,1 m/s	250,4 m/s
$U$	393,3 m/s	393,3 m/s
$W$	486,5 m/s	413,5 m/s
$V_w$	786,6 m/s	59,0 m/s
$V_f$	286,3 m/s	243,4 m/s
$\alpha$	20°	—
$\beta$	36,1°	36,1°

2.12 Perhitungan Kerja Spesifik

Persamaan Euler:

$w=U(V_{w1}-V_{w2})$

$w= 393,3(786,6-59,0)$

$w=286180,7\text{ J/kg}$

atau:

$\boxed{w=286,2\text{ kJ/kg}}$

Jadi setiap kilogram uap menghasilkan kerja rotor sekitar:

${286,2\text{ kJ/kg}}$

2.13 Efisiensi Rotor

Energi kinetik yang tersedia setelah nosel:

$KE_1=\frac{V_1^2}{2(1000)}$

$KE_1= \frac{837,1^2}{2000}$

$KE_1=350,37\text{ kJ/kg}$

Efisiensi rotor:

$\eta_r= \frac{w}{KE_1}$

$\eta_r= \frac{286,2}{350,37}$

$\boxed{\eta_r=81,68\%}$

2.14 Efisiensi Turbin terhadap Energi Isentropik

Efisiensi tahap sebelum mechanical losses:

$\eta_{stage} = \frac{w}{\Delta h_{is}}$

$\eta_{stage} = \frac{286,2}{389,3}$

$\boxed{\eta_{stage}=73,51\%}$

2.15 Efisiensi Keseluruhan

Dengan:

$\eta_m=95\%$

maka:

$\eta_{overall} = \eta_{stage}\eta_m$

$\eta_{overall} = 0,7351(0,95)$

$\boxed{\eta_{overall}=69,84\%}$

Jadi sekitar 69,8% energi isentropik yang tersedia dikonversikan menjadi daya poros berdasarkan model yang digunakan.

2.16 Menentukan Laju Aliran Massa

Target daya:

$P=100\text{ kW}$

Hubungan daya:

$P=\dot m w\eta_m$

sehingga:

$\dot m= \frac{P}{w\eta_m}$

$\dot m= \frac{100} {286,2(0,95)}$

$\boxed{\dot m=0,368\text{ kg/s}}$

atau:

$\boxed{\dot m\approx1324\text{ kg/h}}$

2.17 Menentukan Putaran Rotor

Putaran desain ditetapkan:

$\boxed{N=30.000\text{ rpm}}$

Kecepatan sudut:

$\omega=\frac{2\pi N}{60}$

$\omega= \frac{2\pi(30.000)}{60}$

$\boxed{\omega=3141,6\text{ rad/s}}$

2.18 Menentukan Diameter Rotor

Hubungan kecepatan sudu:

$U=\frac{\pi DN}{60}$

maka:

$D=\frac{60U}{\pi N}$

$D= \frac{60(393,3)} {\pi(30.000)}$

$\boxed{D=0,2504\text{ m}}$

atau:

${D\approx250\text{ mm}}$

2.19 Torsi Poros

Daya poros:

$P=T\omega$

sehingga:

$T=\frac{P}{\omega}$

$T= \frac{100.000}{3141,6}$

${T=31,83\text{ N·m}}$

Jadi turbin menghasilkan torsi poros sekitar:

$\boxed{31,8\text{ N·m}}$

pada kondisi desain.

2.20 Perkiraan Luas Penampang Keluar Nosel

Pada kondisi outlet nosel:

$h_2=2714,23\text{ kJ/kg}$

Pada tekanan 0,8 bar, dari tabel NIST nilai tersebut berada di antara kondisi 115–120 °C. Dengan interpolasi diperoleh kira-kira:

$T_2\approx117,8^\circ C$

dan:

$v_2\approx0,4477\text{ m}^3/\text{kg}$

Dari persamaan kontinuitas:

$\dot m=\frac{A_2V_1}{v_2}$

sehingga:

$A_2= \frac{\dot m v_2}{V_1}$

$A_2= \frac{(0,368)(0,4477)} {837,1}$

$\boxed{A_2=1,97\times10^{-4}\text{ m}^2}$

atau:

${A_2\approx197\text{ mm}^2}$

Jika luas tersebut dinyatakan sebagai diameter lingkaran ekuivalen:

$A=\frac{\pi d^2}{4}$

maka:

$d= \sqrt{\frac{4A}{\pi}}$

$\boxed{d_{eq}\approx15,8\text{ mm}}$

Nilai ini merupakan luas ekuivalen keluaran nosel, bukan langsung dimensi final nosel manufaktur.

H. RESULTS & DISCUSSION

1. Hasil Akhir Perancangan

Parameter	Hasil
Jenis turbin	De Laval impuls
Jumlah tingkat	1
Fluida	Uap air
$P_1$	5 bar(a)
$T_1$	300 °C
$P_2$	0,8 bar(a)
$h_1$	3064,6 kJ/kg
$s_1$	7,4614 kJ/kg·K
$h_{2s}$	2675,3 kJ/kg
$\Delta h_{is}$	389,3 kJ/kg
$\eta_n$	90%
$V_1$	837,1 m/s
$\alpha$	20°
$\phi$	0,470
$U$	393,3 m/s
$\beta_1$	36,1°
$W_1$	486,5 m/s
$W_2$	413,5 m/s
$V_{w1}$	786,6 m/s
$V_{w2}$	59,0 m/s
$V_2$	250,4 m/s
Kerja spesifik	286,2 kJ/kg
Efisiensi rotor	81,68%
Efisiensi stage	73,51%
Efisiensi keseluruhan	69,84%
Laju aliran massa	0,368 kg/s
Laju aliran massa	1324 kg/h
Putaran	30.000 rpm
Diameter rotor	250,4 mm
Torsi poros	31,83 N·m
Daya poros	100 kW
Luas keluar nosel	197 mm²
Diameter ekuivalen nosel	15,8 mm

2. Analisis Pengaruh Rasio Kecepatan

Untuk mengetahui karakteristik turbin, rasio kecepatan divariasikan.

$\phi=U/V_1$	$U(m/s)$	$V_{w2} (m/s)$	Kerja (kJ/kg)	Efisiensi keseluruhan
0,30	251,1	-204,0	248,8	60,71%
0,35	293,0	-126,6	267,6	65,29%
0,40	334,8	-49,2	279,9	68,29%
0,45	376,7	28,3	285,7	69,71%
0,470	393,3	59,0	286,2	69,84%
0,50	418,6	105,7	285,0	69,55%
0,55	460,4	183,1	277,9	67,80%
0,60	502,3	260,6	264,2	64,48%

Dari grafik terlihat bahwa kerja meningkat ketika rasio kecepatan dinaikkan dari 0,30 menuju sekitar 0,47. Setelah melewati nilai tersebut, kerja kembali menurun.

Hal tersebut sesuai dengan hasil analisis matematis:

$\phi_{opt}=\frac{\cos\alpha}{2}$

yang menghasilkan:

$\phi_{opt}=0,470$

Dengan demikian, pada model yang digunakan, rasio kecepatan 0,470 digunakan sebagai titik desain.

---

3. Interpretasi Fisik

Hasil perancangan menunjukkan bahwa kecepatan uap keluar nosel jauh lebih tinggi dibandingkan kecepatan sudu:

$V_1=837,1\text{ m/s}$

sedangkan:

$\ U=393,3\text{ m/s}$

Rasio keduanya:

$\frac{U}{V_1}=0,470$

Hal ini menunjukkan bahwa rotor tidak dirancang untuk bergerak dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan absolut uap. Kecepatan rotor dipilih berdasarkan kondisi yang memberikan perubahan momentum tangensial yang besar.

Komponen tangensial berubah dari:

$V_{w1}=786,6\text{ m/s}$

menjadi:

$V_{w2}=59,0\text{ m/s}$

sehingga perubahan komponen tangensial:

$\Delta V_w = V_{w1}-V_{w2}$

$\Delta V_w = 786,6-59,0$

$\boxed{\Delta V_w=727,6\text{ m/s}}$

Perubahan tersebut menghasilkan kerja spesifik:

$w=U\Delta V_w$

$w=286,2\text{ kJ/kg}$

---

4. Pembahasan Efisiensi

Terdapat beberapa tahap efisiensi dalam model.

Efisiensi nosel

$\eta_n=90\%$

Artinya tidak seluruh penurunan entalpi isentropik berhasil dikonversi menjadi energi kinetik.

Efisiensi rotor

$\eta_r=81,68\%$

Nilai ini menunjukkan bahwa sebagian energi kinetik yang masuk rotor tidak menjadi kerja poros rotor akibat adanya penurunan kecepatan relatif dan kecepatan keluar yang masih tersisa.

Efisiensi mekanik

$\eta_m=95\%$

Efisiensi ini memperhitungkan bahwa tidak seluruh kerja rotor sampai sebagai daya poros yang berguna.

Efisiensi keseluruhan

$\eta_{overall}=69,84\%$

Dengan demikian:

${P_{shaft} = \eta_{overall} \dot m \Delta h_{is}}$

$P_{shaft} = (0,6984)(0,3678)(389,3)$

${P_{shaft}\approx100\text{ kW}}$

Perhitungan ini sekaligus menjadi pemeriksaan konsistensi antara hasil termodinamika, aliran massa, dan daya.

---

5. Verifikasi Hasil

Verifikasi dilakukan dengan beberapa pemeriksaan.

Verifikasi 1 — Target Daya

$P=\dot m w\eta_m$

$P=(0,3678)(286,2)(0,95)$

$\boxed{P\approx100\text{ kW}}$

Target daya terpenuhi.

Verifikasi 2 — Rasio Kecepatan

$\phi=\frac{393,3}{837,1}$

$\boxed{\phi=0,470}$

sesuai dengan rasio desain.

Verifikasi 3 — Diameter Rotor

$D= \frac{60(393,3)} {\pi(30.000)}$

${D=250,4\text{ mm}}$

Verifikasi 4 — Konsistensi Efisiensi

$\eta_{overall} = \frac{100} {(0,3678)(389,3)}$

$\boxed{\eta_{overall}=69,84\%}$

Hasil ini sama dengan efisiensi yang diperoleh dari:

$\eta_{stage}\eta_m$

sehingga perhitungan dapat dinyatakan konsisten dalam batas model yang digunakan.

---

6. Keterbatasan Perancangan

Walaupun hasil perhitungan telah dibuat konsisten, desain ini masih merupakan preliminary design.

Beberapa keterbatasan utama adalah:

1. Aliran dianggap satu dimensi.
2. Distribusi kecepatan pada penampang tidak dihitung.
3. Losses tiga dimensi tidak dimodelkan.
4. Kebocoran ujung sudu tidak dihitung.
5. Windage tidak dihitung.
6. Disk friction tidak dihitung.
7. Tegangan pada rotor tidak dihitung.
8. Vibrasi dan critical speed rotor tidak dihitung.
9. Detail profil sudu belum dirancang.
10. Geometri nosel belum dioptimalkan secara tiga dimensi.
11. Efek turbulensi belum dimodelkan menggunakan CFD.
12. Dimensi akhir komponen belum melalui analisis manufaktur.

Oleh karena itu, hasil seperti diameter rotor 250,4 mm dan putaran 30.000 rpm harus dipahami sebagai hasil desain awal berdasarkan asumsi yang telah ditetapkan, bukan spesifikasi manufaktur final.

---

I. CONCLUSION, CLOSING REMARKS, RECOMMENDATIONS

1. Conclusion

Berdasarkan proses perancangan dan analisis yang dilakukan, diperoleh beberapa kesimpulan:

1. Turbin yang dirancang merupakan turbin uap impuls De Laval satu tingkat dengan target daya poros sebesar 100 kW.
2. Kondisi uap masuk ditetapkan pada:

$P_1=5\text{ bar(a)}$

$T_1=300^\circ C$

sedangkan tekanan outlet:

$P_2=0,8\text{ bar(a)}$

3. Dari kondisi tersebut diperoleh penurunan entalpi isentropik:

$\boxed{\Delta h_{is}=389,3\text{ kJ/kg}}$

4. Dengan efisiensi nosel 90%, kecepatan keluar nosel diperoleh:

$\boxed{V_1=837,1\text{ m/s}}$

5. Untuk sudut nosel 20°, rasio kecepatan optimum berdasarkan model sudu simetris diperoleh:

$\boxed{\phi_{opt}=0,470}$

6. Kecepatan sudu pada kondisi desain adalah:

$\boxed{U=393,3\text{ m/s}}$

7. Dari analisis segitiga kecepatan diperoleh:

$\boxed{W_1=486,5\text{ m/s}}$

dan:

${W_2=413,5\text{ m/s}}$

8. Komponen tangensial kecepatan berubah dari:

${V_{w1}=786,6\text{ m/s}}$

menjadi:

${V_{w2}=59,0\text{ m/s}}$

9. Kerja spesifik rotor yang diperoleh:

${w=286,2\text{ kJ/kg}}$

10. Untuk menghasilkan daya poros 100 kW dengan efisiensi mekanik 95%, diperlukan laju aliran massa:

$\boxed{\dot m=0,368\text{ kg/s}}$

atau sekitar:

$\boxed{1324\text{ kg/h}}$

11. Pada putaran 30.000 rpm, diameter rotor yang diperoleh:

$\boxed{D=250,4\text{ mm}}$

12. Torsi poros pada kondisi desain:

$\boxed{T=31,83\text{ N·m}}$

13. Efisiensi keseluruhan berdasarkan energi isentropik yang tersedia adalah:

$\boxed{\eta_{overall}=69,84\%}$

14. Hasil variasi rasio kecepatan menunjukkan bahwa pada model yang digunakan, kondisi sekitar:

$\boxed{\phi=0,47}$

memberikan kerja spesifik maksimum.

---

2. Closing Remarks

Perancangan ini menunjukkan bahwa desain turbin tidak hanya ditentukan oleh tekanan dan temperatur uap, tetapi merupakan rangkaian proses yang saling terhubung.

Hubungan utama yang diperoleh adalah:

$\boxed{ \text{Kondisi Termodinamika} \rightarrow \text{Ekspansi Nosel} \rightarrow \text{Kecepatan Uap} \rightarrow \text{Segitiga Kecepatan} \rightarrow \text{Kerja} \rightarrow \text{Daya} \rightarrow \text{Parameter Rotor} }$

Pendekatan tersebut juga menunjukkan penerapan DAI5 secara berkelanjutan. Deep Awareness menjadi dasar kesadaran dalam melakukan proses perancangan, Intention menentukan tujuan, Initial Thinking digunakan untuk memahami masalah, Idealization menyederhanakan sistem, dan Instruction Set menerjemahkan model tersebut menjadi langkah perhitungan dan verifikasi. Struktur DAI5 yang digunakan memang menekankan kesinambungan proses tersebut, termasuk verifikasi, minimisasi error, dan pendekatan iteratif.

---

3. Recommendations

Pengembangan proyek selanjutnya dapat dilakukan dengan:

1. melakukan optimasi sudut nosel;
2. melakukan optimasi sudut sudu;
3. memasukkan losses yang lebih lengkap;
4. melakukan simulasi CFD;
5. melakukan analisis tegangan sudu dan rotor;
6. melakukan analisis critical speed;
7. melakukan evaluasi material;
8. membandingkan hasil analitis dengan hasil simulasi;
9. melakukan optimasi dimensi nosel dan rotor;
10. melakukan analisis multi-stage apabila target daya dan kondisi operasi membutuhkan ekspansi yang lebih besar.

---

J. ACKNOWLEDGMENTS

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia serta dosen pengampu mata kuliah Sistem Konversi Energi Prof. Dr. Ahmad Indra atas ilmu, arahan, dan pembelajaran yang diberikan selama proses pengerjaan proyek akhir.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada seluruh pihak yang memberikan dukungan dan masukan selama proses perancangan dan penyusunan laporan ini.

---

K. REFERENCES — LITERATURE CITED

1. Çengel, Y. A., Boles, M. A., & Kanoğlu, M. Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill.
2. Dixon, S. L., & Hall, C. A. Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery. Butterworth-Heinemann.
3. Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Wiley.
4. Harvey, A. H. (1998). Thermodynamic Properties of Water: Tabulation From the IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use. NISTIR 5078. National Institute of Standards and Technology. NIST
5. Parry, W. T., Bellows, J., Gallagher, J. S., & Harvey, A. H. (2009). ASME International Steam Tables for Industrial Use. ASME Press. NIST
6. Siswantara, A. I. (2025). DAI5 “Deep Awareness of I”. UI Publishing. DAI5 “Deep Awareness of I”(1)

---

L. APPENDICES

Lampiran A — Data Awal

Parameter	Nilai
$P_1$	5 bar(a)
$T_1$	300 °C
$P_2$	0,8 bar(a)
$P_{shaft}$	100 kW
$\alpha$	20°
$\eta_n$	90%
$k$	0,85
$\eta_m$	95%
$N$	30.000 rpm

---

Penutup

Demikian laporan yang telah saya susun sebagai bentuk dokumentasi dan pertanggungjawaban atas proses perancangan dan analisis yang telah dilakukan. Dalam penyusunan laporan ini, saya menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan dan kesalahan, baik dalam proses perhitungan, pemilihan asumsi, penyajian, maupun pemahaman terhadap materi yang digunakan.

Oleh karena itu, saya sangat terbuka terhadap kritik, saran, dan masukan yang dapat membantu memperbaiki laporan ini serta meningkatkan pemahaman saya ke depannya. Saya berharap laporan ini tetap dapat memberikan manfaat dan menjadi bagian dari proses pembelajaran yang telah saya jalani.

Demikian yang dapat saya sampaikan. Atas perhatian dan masukan yang diberikan, saya ucapkan terima kasih.

Wassalamu’alaikum warahmatullahi wabarakatuh.