A. Project Title

Perancangan Desain dan Analisis Turbin Pelton Skala Kecil Menggunakan Framework DAI5 

B. Author Complete Name

Amirsyah Prameswara Rahardjo

C. Affiliation

Department of Mechanical Engineering, Universitas Indonesia

---

D. Abstract

Pemanfaatan energi potensial air menjadi energi mekanik merupakan salah satu bentuk konversi energi yang dapat diterapkan pada pembangkitan listrik skala kecil. Pada kasus ini, sebuah turbin Pelton dirancang secara preliminary untuk head desain 100 m dan debit 0,050 m³/s dengan target daya mekanik sekitar 40 kW. Perancangan dilakukan menggunakan kerangka DAI5 yang mengintegrasikan kesadaran, niat, pemikiran awal, idealisasi, dan prosedur perancangan ke dalam proses engineering. Analisis dimulai dari penentuan daya hidraulik, kecepatan jet, diameter nozzle, velocity ratio, diameter runner, rotational speed, jumlah bucket, parameter awal bucket, torsi, hingga preliminary shaft sizing. Hasil perhitungan menunjukkan daya hidraulik tersedia sebesar 49,05 kW. Dengan koefisien kecepatan nozzle 0,98 dan velocity ratio 0,46, diperoleh kecepatan jet sekitar 43,41 m/s dan diameter jet sekitar 38,3 mm. Runner kemudian dipilih berdiameter sekitar 0,508 m pada 750 rpm dengan 22 bucket. Efisiensi keseluruhan preliminary diperkirakan sebesar 82,6%, menghasilkan daya poros sekitar 40,5 kW. Hasil tersebut menunjukkan bahwa konfigurasi single-jet Pelton secara teoritis memenuhi target daya dan masih berada dalam rentang performa yang wajar. Namun, desain ini masih berupa preliminary design sehingga pengaruh detail geometri bucket, distribusi tekanan, bending pada poros, dan performa aktual belum divalidasi secara eksperimen.

---

E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

Perancangan teknik bukan hanya persoalan mendapatkan angka yang sesuai dengan persamaan. Sebagai mahasiswa Teknik Mesin, saya menyadari bahwa hukum konservasi energi, momentum, dan perilaku fluida yang digunakan dalam perancangan merupakan bagian dari keteraturan alam yang Allah SWT ciptakan. Manusia hanya berusaha memahami keteraturan tersebut melalui ilmu dan model matematis. Kesadaran ini menjadi pengingat bahwa setiap keputusan engineering harus dilakukan secara bertanggung jawab, terutama ketika berkaitan dengan keselamatan, penggunaan sumber daya, lingkungan, dan keterbatasan model yang digunakan.

Dalam kerangka CCIT (Cara Cerdas Ingat Tuhan), proses desain dipandang sebagai aktivitas akademik sekaligus amanah. Karena itu, hasil perhitungan tidak seharusnya dibuat sekadar agar terlihat berhasil, tetapi harus dapat ditelusuri, memiliki asumsi yang jelas, dan tidak melebih-lebihkan tingkat kepastian hasil.

2. Intention of the Project Activity

Niat dari aktivitas ini adalah merancang sistem konversi energi air yang secara teoritis bermanfaat, efisien, aman, dapat dimanufaktur, serta tidak menggunakan sumber daya secara berlebihan. Target sekitar 40 kW tidak diperlakukan hanya sebagai angka akhir, tetapi sebagai constraint desain yang harus dicapai melalui hubungan antara head, debit, nozzle, runner, bucket, dan shaft.

Kerangka DAI5 pada laporan ini digunakan sebagai cara menjaga arah proses desain, bukan sebagai tambahan filosofis yang berdiri sendiri. Struktur DAI5, kebutuhan perhitungan, consistency check, serta tahapan verification dan validation mengikuti master design basis yang telah ditetapkan. Pasted text Pasted text

---

F. Introduction

Background

Air mempunyai energi potensial yang dapat dikonversi menjadi energi mekanik melalui hydraulic turbine. Secara umum, potensi hidraulik ditentukan terutama oleh head dan debit. Dalam sistem pembangkitan hidro, kedua parameter tersebut menjadi dasar utama dalam pemilihan jenis turbin. NREL menjelaskan bahwa turbin impulse seperti Pelton digunakan pada kondisi high head–low flow, sedangkan Francis dan Kaplan lebih umum sebagai reaction turbines untuk kondisi dengan head lebih rendah dan debit lebih besar. NLR

Pada desain ini tersedia head 100 m dan debit 0,050 m³/s. Dengan kondisi tersebut, daya hidraulik yang tersedia cukup besar untuk sistem berskala puluhan kilowatt, tetapi debitnya relatif kecil. Kondisi tersebut mengarahkan pemilihan ke turbin impulse, khususnya Pelton. Literatur small-scale hydropower juga menjelaskan bahwa Pelton digunakan untuk kondisi head tinggi dan debit rendah, dengan karakteristik geometrinya yang terutama bergantung pada diameter jet. Digituma

Turbine Selection

Tiga kandidat awal dibandingkan sebelum Pelton dipilih.

Parameter	Pelton	Francis	Kaplan
Jenis	Impulse	Reaction	Reaction
Karakteristik umum	Head tinggi, debit rendah	Head dan debit menengah	Head rendah, debit tinggi
Runner	Bucket terbuka	Runner terendam	Runner aksial
Sistem aliran	Jet bebas	Pressure + velocity	Pressure + velocity
Kompleksitas preliminary design	Relatif rendah	Lebih tinggi	Lebih tinggi
Kesesuaian kasus ini	Tinggi	Sedang–rendah	Rendah

Pelton dipilih karena energi head dapat dikonversi menjadi jet berkecepatan tinggi sebelum memasuki runner. Dengan demikian, tekanan pada runner relatif dekat dengan atmosfer dan energi diekstraksi terutama melalui perubahan momentum jet. Pendekatan tersebut juga membuat analisis preliminary cukup langsung karena hubungan antara jet velocity, bucket velocity, dan torque dapat ditelusuri menggunakan momentum dan Euler turbine equation. Pembahasan klasik mengenai hydraulic turbines dan dasar turbomachinery memang menempatkan continuity, momentum, Bernoulli, efficiency, dan specific speed sebagai bagian penting dari preliminary analysis. Elsevier Shop

Initial Thinking

Masalah desain tidak dimulai dari pertanyaan “berapa diameter runner?”, tetapi dari bagaimana energi air berpindah sepanjang sistem. Aliran air membawa energi potensial dari head yang tersedia. Energi tersebut kemudian ditransformasikan melalui nozzle menjadi kinetic energy dalam bentuk jet. Jet menumbuk splitter pada bucket, berubah arah, dan menghasilkan perubahan momentum tangensial. Perubahan momentum menghasilkan gaya pada bucket, gaya tersebut menghasilkan torque pada runner, dan akhirnya energi mekanik diteruskan ke shaft.

Dengan cara pandang tersebut, sumber loss tidak hanya berasal dari runner. Loss dapat muncul pada penstock dan nozzle, interaksi jet–bucket, friction di dalam bucket, leakage, bearing, coupling, serta sistem transmisi. Pendekatan seperti ini penting agar desain tidak terlihat seolah-olah seluruh hydraulic power secara otomatis menjadi shaft power.

---

G. Methods & Procedures

1. Idealization

Model preliminary menggunakan asumsi berikut.

Asumsi	Nilai	Alasan
Kondisi aliran	Steady-state	Menyederhanakan analisis pada design point
Fluida	Air inkompresibel	Perubahan densitas sangat kecil
Densitas	1000 kg/m³	Nilai desain yang diberikan
Gravitasi	9,81 m/s²	Nilai desain
Net head	100 m	Dipakai sebagai head efektif karena data penstock belum tersedia
Jumlah jet	1	Sesuai preliminary single-jet configuration
Nozzle coefficient	0,98	Berada dalam kisaran koefisien kecepatan Pelton yang dilaporkan literatur
Velocity ratio	0,46	Nilai yang umum digunakan pada preliminary Pelton design
Relative velocity ratio	0,85	Asumsi untuk mewakili friction dalam bucket
Outlet angle	15°	Menghasilkan deflection sekitar 165°
Volumetric efficiency	98%	Representasi preliminary leakage/loss
Mechanical efficiency	97%	Representasi bearing dan mechanical losses
Shaft material	Steel, Sy = 350 MPa	Design assumption preliminary

Literatur small-scale Pelton melaporkan coefficient of velocity sekitar 0,95–0,99 dan speed ratio sekitar 0,46. Literatur yang sama memberikan rentang preliminary untuk geometri bucket dan jumlah bucket yang bergantung pada rasio diameter runner terhadap diameter jet. Digituma

Perlu dicatat bahwa angka 100 m diperlakukan sebagai net head, bukan gross head. Apabila 100 m sebenarnya merupakan gross head, maka head loss penstock, fitting, entrance, dan nozzle harus dikurangkan terlebih dahulu sehingga daya aktual akan lebih rendah. Penentuan effective head memang bergantung pada head loss sistem sebelum turbin. Digituma

2. Design Basis

Parameter	Nilai	Satuan
Turbine type	Pelton	—
Operating principle	Impulse	—
Net head	100	m
Design flow rate	0,050	m³/s
Density	1000	kg/m³
Gravity	9,81	m/s²
Target shaft power	≈40	kW
Preliminary efficiency target	80–85	%
Initial jet configuration	Single jet	—

Basis desain tersebut mengikuti kasus yang diberikan dalam master prompt. Pasted text

3. Governing Equations

Hydraulic Power

Energi hidraulik tersedia dihitung dari

Ph=gQH

dengan sebagai densitas air, g gravitasi, Q debit, dan H net head.

Jet Velocity

Kecepatan jet ditentukan menggunakan coefficient of velocity:

V1=Cv2gH

Continuity

Diameter jet diperoleh dari

Q=AV1

dengan

A=d24

Runner Velocity

Peripheral speed runner adalah

u=V1

dengan sebagai velocity ratio.

Rotational Speed

Hubungan antara peripheral speed dan runner diameter adalah

u=DN60

Euler/Angular Momentum

Daya runner ditentukan berdasarkan perubahan momentum tangensial:

Pr=Qu(Vw1-Vw2)

Untuk kondisi inlet tangensial,

Vw1=V1

dan dengan relative velocity ratio kw,

Vw2=u-kw(V1-u)

Torque

T=P

dengan

=2N60

Preliminary Shaft Sizing

Untuk pemeriksaan awal terhadap torsion,

=16Tds3

dimana ds adalah diameter shaft.

Persamaan-persamaan tersebut menggunakan prinsip conservation of mass, energy, momentum, dan angular momentum yang merupakan dasar analisis fluid mechanics dan turbomachinery. Elsevier Shop

4. Calculation Procedure

Step 1 — Hydraulic Power

Ph=(1000)(9.81)(0.050)(100)

\[ P_h=49\,050\ {\rm W}=49.05\ {\rm kW} \]

Daya hidraulik yang tersedia adalah 49,05 kW. Secara fisik, nilai ini merupakan batas energi maksimum dari air sebelum seluruh loss hidraulik dan mekanik diperhitungkan. Karena target shaft power adalah sekitar 40 kW, diperlukan efisiensi keseluruhan sekitar 80% atau lebih.

Step 2 — Jet Velocity

Dengan Cv=0.98,

V1=0.982(9.81)(100)

\[ V_1=43.41\ {\rm m/s} \]

Kecepatan ideal tanpa nozzle loss adalah sekitar 44,29 m/s, sehingga coefficient 0,98 menghasilkan sedikit pengurangan akibat loss dalam nozzle.

Step 3 — Jet Diameter

Luas jet:

\[ A=\frac{Q}{V_1} =\frac{0.050}{43.41} =1.152\times10^{-3}\ {\rm m^2} \]

Kemudian

d=4A

\[ d=0.0383\ {\rm m} \]

atau sekitar 38,3 mm.

Secara fisik, nozzle single jet harus menghasilkan penampang sekitar 38 mm untuk membawa debit 0,050 m³/s pada kecepatan sekitar 43 m/s. Diameter ini masih cukup mudah direpresentasikan dalam preliminary manufacturing design.

Step 4 — Runner Speed

Dipilih

=0.46

sehingga

\[ u=0.46(43.41)=19.97\ {\rm m/s} \]

Nilai tersebut berarti bucket bergerak dengan kecepatan sekitar 20 m/s ketika jet memasuki kondisi desain. Nilai speed ratio 0,46 juga sesuai dengan nilai preliminary yang dilaporkan dalam studi Pelton skala kecil. Digituma

Step 5 — Runner Diameter and Rotational Speed

Beberapa kandidat speed diperiksa.

Kandidat	N	D	D/d	Specific speed*
Iterasi 1	1500 rpm	0,254 m	6,64	30,2
Iterasi 2	1000 rpm	0,381 m	9,96	20,1
Final	750 rpm	0,508 m	13,28	15,1

*Menggunakan power-based specific-speed convention Ns=NP/H5/4, dengan P dalam kW dan H dalam m.

Pada 1500 rpm runner menjadi terlalu kecil relatif terhadap jet. Hal ini menghasilkan D/d yang rendah dan kurang sesuai dengan karakteristik geometry preliminary Pelton. Pada 1000 rpm kondisi membaik, tetapi diameter runner masih relatif kecil. Pada 750 rpm, diameter menjadi sekitar 0,508 m dan rasio D/d mendekati rentang yang umum digunakan pada Pelton. Studi Azevedo dan Lopes melaporkan D/d sekitar 14–16 untuk rancangan acuan dan penggunaan speed ratio sekitar 0,46. Digituma

750 rpm juga merupakan kecepatan sinkron yang praktis untuk generator 50 Hz dengan 8 pole apabila direct coupling digunakan. Oleh karena itu, 750 rpm dipilih sebagai preliminary final speed.

Step 6 — Number of Buckets

Jumlah bucket menggunakan hubungan

Z=15+D2d

sehingga

Z=15+0.5082(0.0383)21.64

Hasil dibulatkan menjadi 22 bucket.

Hubungan Z=15+D/(2d) juga digunakan dalam literatur Pelton dan memberikan jumlah bucket yang cukup agar jet tidak kehilangan engagement ketika runner berputar. Virtual Labs

Dengan 22 bucket, runner mempunyai pitch angular yang cukup rapat sehingga kontinuitas interaksi antara jet dan bucket dapat dipertahankan.

Step 7 — Preliminary Bucket Dimensions

Studi Azevedo dan Lopes memberikan rentang B/d=2.8–4, L/d=2.5–2.8, dan T/d=0.8–0.95. Digituma

Nilai tengah yang konservatif dipilih untuk preliminary geometry:

B=3.2d

L=2.6d

T=0.85d

Dengan d=38.3 mm diperoleh:

Parameter	Ratio	Nilai preliminary
Bucket width, B	3,2d	≈123 mm
Bucket length, L	2,6d	≈100 mm
Bucket depth, T	0,85d	≈32,6 mm
Bucket pitch	D/Z	≈72,6 mm
Outlet angle	—	≈15°
Overall flow deflection	—	≈165°

Ukuran tersebut belum merupakan manufacturing drawing. Nilainya hanya digunakan untuk memastikan bahwa bucket mempunyai skala geometri yang masuk akal terhadap jet.

Step 8 — Runner Power

Kecepatan relatif inlet:

W1=V1-u

\[ W_1=43.41-19.97=23.44\ {\rm m/s} \]

Dengan asumsi relative velocity ratio

W2W1=0.85

diperoleh

\[ W_2=19.92\ {\rm m/s} \]

Komponen whirl outlet:

Vw2=u-W215

\[ V_{w2}\approx0.72\ {\rm m/s} \]

Maka perubahan komponen tangensial adalah sekitar

\[ V_{w1}-V_{w2} = 43.41-0.72 = 42.69\ {\rm m/s} \]

Daya runner:

Pr=(1000)(0.050)(19.97)(42.69)

\[ P_r\approx42.62\ {\rm kW} \]

Artinya, setelah momentum jet ditransfer ke runner, daya mekanik pada runner secara teoritis sekitar 42,6 kW sebelum volumetric dan mechanical losses. Nilai ini cukup dekat dengan target 40 kW sehingga rancangan tidak membutuhkan hydraulic power yang jauh lebih besar dari kebutuhan.

Step 9 — Runner and Shaft Torque

Runner torque:

Tr=42.6210378.54

\[ T_r\approx542.6\ {\rm N\,m} \]

Setelah volumetric efficiency 98%, daya menjadi

\[ P_v=42.62(0.98)=41.77\ {\rm kW} \]

Dengan mechanical efficiency 97%:

Pshaft=41.77(0.97)

\[ P_{shaft}\approx40.51\ {\rm kW} \]

Maka torque pada shaft adalah

Tshaft=40.5110378.54

\[ T_{shaft}\approx515.8\ {\rm N\,m} \]

Nilai sekitar 516 N·m menunjukkan bahwa walaupun sistem dikategorikan small-scale, shaft tetap membawa torque yang cukup besar sehingga shaft, key, hub, dan bearing tidak boleh ditentukan hanya berdasarkan diameter visual.

Step 10 — Efficiency Estimate

Efisiensi preliminary dipisahkan sebagai berikut.

Komponen	Efisiensi
Nozzle/jet velocity efficiency	96,04%
Bucket hydraulic efficiency	90,47%
Volumetric efficiency	98,00%
Mechanical efficiency	97,00%
Overall efficiency	82,59%

Bucket efficiency diperoleh dari rasio daya runner terhadap kinetic power jet:

b=Pr12QV12

yang menghasilkan sekitar 90,5%.

Overall efficiency kemudian dihitung dari

o=0.9604(0.9047)(0.98)(0.97)

o0.8259

atau 82,6%.

Dengan demikian,

\[ P_{shaft} = 49.05(0.8259) \approx40.51\ {\rm kW} \]

Hasil tersebut berada tepat dalam target preliminary 80–85% dan menghasilkan daya sekitar 40,5 kW. Rentang efisiensi Pelton sekitar 85–90% untuk desain yang baik dilaporkan dalam literatur, sehingga hasil 82,6% pada tahap preliminary masih masuk akal karena model ini memasukkan beberapa loss dan belum menggunakan optimized bucket geometry. Digituma

5. Instruction Set

Prosedur desain yang dapat diulang adalah:

Input → Calculation → Design Decision → Verification → Iteration → Final Design

1. Tentukan H, Q, , dan g.
2. Hitung hydraulic power.
3. Tentukan nozzle coefficient dan jet velocity.
4. Hitung jet diameter melalui continuity.
5. Pilih velocity ratio.
6. Tentukan peripheral speed.
7. Evaluasi beberapa rotational speed.
8. Hitung runner diameter dan D/d.
9. Tentukan number of buckets.
10. Tentukan preliminary bucket geometry.
11. Gunakan momentum/Euler equation untuk memperoleh runner power.
12. Hitung torque.
13. Masukkan volumetric dan mechanical losses.
14. Lakukan shaft sizing.
15. Periksa dimensi, speed, efficiency, dan manufacturability.
16. Iterasikan parameter yang tidak memenuhi kriteria.
17. Tetapkan final preliminary configuration.
18. Rencanakan experimental validation.

Alur tersebut mengikuti prinsip bahwa desain bukan proses linear sekali hitung, tetapi proses iteratif yang menghubungkan kebutuhan dengan verification. Pasted text

6. Verification and Validation Procedure

Verification

Verification dilakukan terhadap model matematis dan konsistensi hasil.

Mass conservation

Q=AV

Dengan A1.15210-3 m² dan V43.41 m/s, debit kembali menjadi sekitar 0,050 m³/s.

Energy consistency

\[ \eta_o=\frac{40.51}{49.05}\approx82.6\% \]

Power output tidak melebihi hydraulic power input.

Momentum consistency

Perubahan whirl velocity menghasilkan gaya tangensial sekitar

\[ F_t=\rho Q(V_{w1}-V_{w2}) \approx2.13\ {\rm kN} \]

Pada radius runner sekitar 0,254 m,

\[ T_r=F_t r \approx542.6\ {\rm N\,m} \]

yang konsisten dengan perhitungan P/.

Torque-power consistency

P=T

menghasilkan kembali sekitar 40,5 kW pada shaft.

Shaft Preliminary Check

Mengambil allowable shear stress preliminary sebesar 50 MPa,

ds,min=16Tallow1/3

menghasilkan diameter minimum torsional sekitar 37,5 mm.

Karena perhitungan tersebut hanya mempertimbangkan torsion, diameter nominal dipilih menjadi 45 mm untuk menyediakan margin terhadap keyway, stress concentration, serta bending yang belum dimodelkan.

Untuk pemeriksaan sederhana dengan Sy=350 MPa, torsional shear stress pada diameter 45 mm adalah sekitar 28,8 MPa. Faktor keamanan berbasis von Mises untuk pure torsion menjadi sekitar

n=Sy/37.0

Angka tersebut bukan final factor of safety shaft, karena bending moment akibat berat runner, coupling, bearing reaction, dan possible belt/gear load belum tersedia. Shigley memang memperlakukan shaft sebagai elemen yang harus diperiksa terhadap loading dan failure, sehingga combined bending–torsion menjadi tahap lanjutan yang diperlukan sebelum manufacturing. Glencoe McGraw Hill

Validation

Validation eksperimental belum dilakukan. Hal ini harus dinyatakan secara eksplisit karena hasil saat ini berasal dari preliminary mathematical model, bukan pengujian fisik. Ketentuan ini juga sejalan dengan prinsip bahwa validation berbeda dari verification. Pasted text

Test rig lanjutan idealnya memiliki flow meter, head/pressure measurement, tachometer, torque measurement, serta monitoring temperatur bearing. Daya aktual kemudian dapat dibandingkan dengan P=gQH.

7. Iteration Procedure

Iterasi dilakukan terutama terhadap rotational speed.

Parameter	Iterasi 1	Iterasi 2	Final
Speed	1500 rpm	1000 rpm	750 rpm
Runner diameter	0,254 m	0,381 m	0,508 m
Jet diameter	0,0383 m	0,0383 m	0,0383 m
D/d	6,64	9,96	13,28
Specific speed	30,2	20,1	15,1
Bucket count	≈18	≈20	22

Iterasi pertama menghasilkan runner yang sangat compact, tetapi diameter runner terhadap diameter jet terlalu kecil. Iterasi kedua lebih baik, tetapi final 750 rpm memberikan geometry yang lebih sesuai dengan karakteristik Pelton klasik dan sekaligus merupakan rotational speed yang praktis untuk direct coupling ke generator 50 Hz delapan pole.

---

H. Results & Discussion

Design Input

Parameter	Result	Unit
Net head	100	m
Flow rate	0,050	m³/s
Hydraulic power	49,05	kW
Water density	1000	kg/m³
Gravity	9,81	m/s²
Jet configuration	Single jet	—

Main Design Results

Parameter	Result	Unit
Nozzle coefficient	0,98	—
Ideal jet velocity	44,29	m/s
Actual jet velocity	43,41	m/s
Jet diameter	38,3	mm
Velocity ratio	0,46	—
Runner peripheral speed	19,97	m/s
Runner diameter	0,508	m
Rotational speed	750	rpm
Specific speed	15,1	—
Number of buckets	22	—
Bucket width	≈123	mm
Bucket length	≈100	mm
Bucket depth	≈32,6	mm
Bucket pitch	≈72,6	mm
Runner torque	≈542,6	N·m
Shaft torque	≈515,8	N·m
Preliminary shaft diameter	45	mm
Overall efficiency	82,6	%
Shaft mechanical power	≈40,5	kW

Physical Interpretation

Hasil tersebut memperlihatkan hubungan yang cukup konsisten antara hydraulic condition dan machine geometry. Head 100 m menghasilkan jet sekitar 43 m/s, sementara runner tidak perlu bergerak pada kecepatan yang sama karena bucket harus mempertahankan relative velocity yang cukup untuk membelokkan jet.

Runner dengan diameter sekitar 0,51 m yang berputar pada 750 rpm memberikan peripheral velocity sekitar 20 m/s. Kombinasi tersebut memungkinkan velocity ratio 0,46 tercapai tanpa membuat runner terlalu kecil terhadap jet.

Dari sisi power balance, hydraulic power sebesar 49,05 kW berubah menjadi sekitar 42,62 kW pada runner dan akhirnya sekitar 40,51 kW pada shaft. Dengan kata lain, sekitar 8,54 kW dari hydraulic power tidak muncul sebagai useful shaft power pada model ini. Loss tersebut tidak berasal dari satu mekanisme saja, melainkan merupakan kombinasi nozzle, bucket, volumetric, dan mechanical losses.

Sensitivity terhadap Velocity Ratio

Velocity ratio	Runner speed pada 750 rpm	Runner diameter	Bucket efficiency	Overall efficiency	Shaft power
0,43	18,67 m/s	0,475 m	89,3%	81,5%	40,0 kW
0,46	19,97 m/s	0,508 m	90,5%	82,6%	40,5 kW
0,48	20,84 m/s	0,531 m	90,9%	83,0%	40,7 kW

Sensitivity check menunjukkan bahwa perubahan velocity ratio dari 0,43 ke 0,48 tidak menghasilkan perubahan daya yang sangat besar pada model idealized. Namun, diameter runner berubah cukup signifikan. Karena itu, velocity ratio 0,46 dipilih bukan hanya karena menghasilkan power yang memadai, tetapi karena merupakan nilai preliminary yang dilaporkan dalam literatur dan memberikan kompromi yang baik antara hydraulic performance dan geometry. Digituma

Main Assumptions

Assumption	Value	Reason
Net head	100 m	Data design basis
Cv	0,98	Preliminary nozzle assumption
Velocity ratio	0,46	Pelton preliminary design
Relative velocity ratio	0,85	Representasi bucket friction
Volumetric efficiency	98%	Preliminary leakage allowance
Mechanical efficiency	97%	Preliminary bearing/mechanical loss
Shaft yield strength	350 MPa	Design assumption
Shaft selected	45 mm	Margin above torsional minimum

Parameter preliminary seperti speed ratio, D/d, bucket dimensions, dan number of buckets perlu dipahami sebagai starting point, bukan nilai optimal. Desain Pelton aktual sangat bergantung pada detail geometry, surface finish, nozzle quality, flow condition, dan manufacturing accuracy. Studi experimental pada sistem Pelton kecil juga menunjukkan bahwa perubahan detail geometry dapat menghasilkan perbedaan performa yang signifikan. Digituma

Energy Conversion Scheme

Secara konseptual, proses konversinya adalah:

Hydraulic potential energy → Nozzle pressure drop → High-velocity jet → Bucket momentum change → Runner rotation → Shaft torque → Generator

Alur ini juga menunjukkan titik-titik utama tempat loss dapat terjadi.

Figure yang disarankan: Conceptual energy conversion layout of the proposed single-jet Pelton turbine.

Velocity Triangle

Velocity triangle merupakan bagian penting karena menjelaskan mengapa runner menghasilkan torque. Pada inlet, jet diarahkan secara tangensial sehingga Vw1 mendekati V1. Bucket kemudian bergerak dengan u, sehingga relative velocity inlet adalah W1=V1-u. Setelah bucket membelokkan jet, relative velocity berkurang karena friction dan absolute outlet velocity menjadi jauh lebih rendah. Konsep velocity triangle ini merupakan dasar dari momentum analysis dan Euler turbine equation. Lancaster EPrints

Figure yang disarankan: Pelton bucket velocity triangle showing V1, u, W1, W2, and Vw2.

Sustainability

Turbin hidro mempunyai keuntungan utama berupa pemanfaatan energi air yang bersifat terbarukan. Namun, “renewable” tidak berarti tidak memiliki environmental impact. NREL mencatat bahwa proyek hidro dapat tetap berkaitan dengan perubahan ekosistem, sedimentasi, water-level changes, dan isu fish passage. NLR

Dalam desain ini, sustainability tidak hanya dinilai dari sumber energi. Ukuran runner yang cukup sederhana, jumlah komponen yang relatif sedikit, kemudahan penggantian bucket, dan penggunaan material yang tidak berlebihan juga menjadi pertimbangan. Dari sisi maintenance, bucket dan nozzle merupakan komponen yang perlu mendapat perhatian karena kontak dengan jet berkecepatan tinggi dapat menyebabkan erosion, terutama apabila air membawa sedimen. Literatur small-scale Pelton juga menunjukkan bahwa desain detail perlu disesuaikan dengan kondisi sistem aktual, bukan hanya diskalakan secara geometrik dari mesin besar. Digituma

Stakeholder Analysis

Stakeholder	Dampak desain
Engineer/designer	Membutuhkan model yang konsisten dan dapat diverifikasi
Operator	Membutuhkan operasi yang aman dan mudah dikontrol
Maintenance personnel	Membutuhkan akses terhadap nozzle, bucket, bearing, dan shaft
Manufacturer	Membutuhkan geometry yang realistis untuk machining/fabrication
Owner/investor	Membutuhkan output yang sesuai target dengan biaya yang rasional
Electricity users	Membutuhkan suplai yang stabil
Local community	Membutuhkan penggunaan air yang tidak mengganggu kebutuhan lain
Environment	Membutuhkan pengelolaan debit, sedimentasi, dan ecological flow

Pendekatan stakeholder penting karena desain yang secara hidraulik efisien belum tentu menjadi desain yang paling baik apabila sulit diproduksi, sulit dirawat, atau menggunakan air tanpa memperhatikan kondisi lingkungan.

Limitations

Beberapa keterbatasan utama desain ini adalah:

Pertama, head 100 m diasumsikan sebagai net head. Penstock geometry dan head loss belum dihitung.

Kedua, bucket masih direpresentasikan oleh hubungan empiris dan bukan detailed three-dimensional geometry.

Ketiga, relative velocity ratio 0,85 merupakan design assumption dan bukan hasil CFD atau eksperimen.

Keempat, shaft sizing baru berdasarkan torsion. Combined bending, keyway stress concentration, fatigue, bearing load, dan critical speed belum diperiksa.

Kelima, generator efficiency belum dimasukkan. Oleh karena itu, 40,5 kW merupakan shaft mechanical power, bukan electrical output.

Keenam, overall design belum melalui experimental validation.

Keterbatasan ini sengaja ditampilkan agar desain tidak terlihat lebih pasti daripada tingkat akurasi modelnya. Master prompt memang mensyaratkan agar uncertainty, assumption, dan keterbatasan tidak disembunyikan. Pasted text

---

I. Conclusion, Closing Remarks, Recommendations

Conclusion

Preliminary design turbin Pelton untuk head 100 m dan debit 0,050 m³/s telah dilakukan menggunakan kerangka DAI5. Daya hidraulik yang tersedia adalah 49,05 kW, dengan kecepatan jet aktual sekitar 43,41 m/s dan diameter jet sekitar 38,3 mm.

Konfigurasi akhir menggunakan single jet, velocity ratio 0,46, runner diameter sekitar 0,508 m, dan rotational speed 750 rpm. Dengan parameter tersebut diperoleh D/d sekitar 13,3 dan jumlah bucket 22 buah. Preliminary bucket geometry menghasilkan width sekitar 123 mm, length sekitar 100 mm, dan depth sekitar 32,6 mm.

Perhitungan momentum memberikan daya runner sekitar 42,62 kW, sedangkan setelah volumetric dan mechanical losses diperoleh shaft power sekitar 40,5 kW. Overall efficiency preliminary sebesar 82,6%, sehingga desain memenuhi target efisiensi 80–85% dan target daya sekitar 40 kW secara teoritis.

Preliminary shaft calculation menghasilkan kebutuhan torsional sekitar 37,5 mm pada asumsi allowable shear stress 50 MPa. Diameter nominal 45 mm dipilih untuk memberikan margin awal terhadap efek yang belum dimodelkan.

Closing Remarks

Hasil ini menunjukkan bahwa DAI5 dapat digunakan bukan hanya sebagai struktur penulisan, tetapi sebagai cara menjaga hubungan antara kesadaran, tujuan, asumsi, perhitungan, dan keputusan desain. Dalam konteks engineering, kesadaran terhadap keterbatasan model sama pentingnya dengan kemampuan memperoleh hasil numerik.

Pada akhirnya, angka-angka desain di atas merupakan representasi matematis terhadap sistem fisik yang lebih kompleks. Sebagai engineer, tugasnya bukan sekadar mencari angka yang terlihat baik, tetapi memahami apa arti angka tersebut secara fisik dan kapan angka tersebut tidak lagi dapat dipercaya.

Recommendations

Tahap berikutnya sebaiknya mencakup pemodelan CAD tiga dimensi bucket dan runner, perhitungan combined bending–torsion pada shaft, bearing selection, detailed nozzle design, pemeriksaan critical speed, serta CFD untuk mempelajari distribusi aliran dan losses. Setelah itu, validation experimental dapat dilakukan menggunakan test rig dengan flow meter, head measurement, tachometer, torque measurement, dan brake dynamometer.

Validation eksperimental belum dilakukan pada tahap ini, sehingga hasil akhir harus tetap dikategorikan sebagai preliminary design, bukan final optimized design. Pasted text

---

J. Acknowledgments

Penulis mengucapkan terima kasih kepada dosen pengampu dan pihak Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia yang memberikan arahan dalam memahami sistem konversi energi, turbomachinery, dan proses preliminary mechanical design.

---

K. References / Literature Cited

Azevedo, J., & Lopes, J. (2016). Energy harvesting from hydroelectric systems for remote sensors. AIMS Energy, 4(6), 876–893. https://doi.org/10.3934/energy.2016.6.876 Digituma

Budynas, R. G., & Nisbett, J. K. (2020). Shigley’s mechanical engineering design (11th ed.). McGraw-Hill. McGraw Hill

Dixon, S. L., & Hall, C. A. (2014). Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery (7th ed.). Butterworth-Heinemann. Elsevier Shop

Gerhart, A. L., Hochstein, J. I., & Gerhart, P. M. (2020). Munson, Young and Okiishi’s fundamentals of fluid mechanics (9th ed.). Wiley. Wiley Store

National Renewable Energy Laboratory. (2024). Small hydropower energy for USDA REAP. U.S. Department of Energy. NLR

---

L. Appendices

Appendix A — Compact Calculation Sheet

Quantity	Calculation	Result
Hydraulic power	gQH	49,05 kW
Ideal jet velocity	2gH	44,29 m/s
Actual jet velocity	Cv2gH	43,41 m/s
Jet area	Q/V1	1,15210-3 m²
Jet diameter	4A/	38,3 mm
Bucket speed	0,46V1	19,97 m/s
Runner diameter	60u/(N)	0,508 m
Jet ratio	D/d	13,28
Number of buckets	15+D/(2d)	22
Runner torque	Pr/	542,6 N·m
Shaft torque	Pshaft/	515,8 N·m
Overall efficiency	nbvm	82,6%
Shaft power	oPh	40,5 kW

Appendix B — Final Design Summary

Parameter	Final preliminary value
Turbine	Pelton, impulse
Jet configuration	Single jet
Net head	100 m
Design flow	0,050 m³/s
Jet diameter	38,3 mm
Runner diameter	0,508 m
Rotational speed	750 rpm
Velocity ratio	0,46
Number of buckets	22
Bucket width	≈123 mm
Bucket length	≈100 mm
Bucket depth	≈32,6 mm
Shaft diameter	45 mm
Runner torque	≈542,6 N·m
Shaft torque	≈515,8 N·m
Shaft mechanical power	≈40,5 kW
Overall efficiency	≈82,6%