A. Project Title

Desain dan Analisis Turbin Pelton sebagai Penggerak Pompa Irigasi Sawah Menggunakan Kerangka DAI5

B. Author Complete Name

Nama: Adli Artadya Naufal

NPM: 2206061564

C. Affiliation

Program Studi: Teknik Mesin

Departemen: Departemen Teknik Mesin

Fakultas: Fakultas Teknik

Universitas: Universitas Indonesia

D. Abstract

Makalah ini membahas perancangan dan analisis Turbin Pelton sebagai penggerak mekanis pompa irigasi untuk memenuhi kebutuhan pengairan sawah. Permasalahan yang diangkat adalah bagaimana memanfaatkan energi potensial air dengan head relatif tinggi untuk menggerakkan pompa secara langsung sehingga air dapat dialirkan menuju lahan pertanian tanpa ketergantungan penuh terhadap sumber energi eksternal.

Sebagai penelitian awal, sistem dirancang dengan asumsi debit pompa sebesar 20 L/s dan head pompa sebesar 15 m. Efisiensi pompa diasumsikan sebesar 70%. Untuk menggerakkan pompa digunakan Turbin Pelton dengan head efektif sebesar 50 m, efisiensi turbin sebesar 80%, dan efisiensi transmisi sebesar 95%. Berdasarkan hasil perhitungan, daya hidrolik yang dibutuhkan oleh pompa adalah sekitar 2,943 kW dan daya poros pompa sekitar 4,204 kW. Dengan mempertimbangkan efisiensi transmisi, turbin perlu menyediakan daya poros sekitar 4,425 kW.

Perhitungan menghasilkan kebutuhan debit turbin sekitar 0,01128 m³/s atau 11,28 L/s. Kecepatan jet air yang diperoleh sekitar 30,69 m/s, diameter nozzle sekitar 21,6 mm, diameter runner sekitar 269 mm pada putaran 1000 rpm, serta torsi turbin sekitar 42,3 Nm. Simulasi MATLAB digunakan untuk memvisualisasikan hubungan antara head, debit, daya turbin, dan efisiensi sistem. Hasil perancangan menunjukkan bahwa Turbin Pelton secara teoritis dapat digunakan sebagai penggerak pompa irigasi berdasarkan asumsi desain yang digunakan.

Kata kunci: Turbin Pelton, pompa irigasi, sawah, energi air, head, debit, MATLAB, DAI5.

E. Author Declaration

1. Deep Awareness (of) I

• Kriteria 1 – Consciousness of Purpose

Perancangan ini dilakukan dengan menyadari bahwa teknologi merupakan sarana untuk memberikan manfaat bagi kehidupan manusia. Pemanfaatan energi air untuk membantu memenuhi kebutuhan irigasi diarahkan untuk mendukung kegiatan pertanian dan meningkatkan kebermanfaatan sumber daya alam.

Penulis menyadari bahwa keberhasilan suatu rancangan teknik tidak hanya ditentukan oleh kemampuan sistem untuk bekerja, tetapi juga oleh manfaat yang diberikan kepada manusia dan lingkungan.

• Kriteria 2 – Self-awareness

Dalam melakukan perancangan, penulis menyadari bahwa sebagian parameter yang digunakan merupakan asumsi awal. Oleh karena itu, hasil perhitungan tidak dianggap sebagai kondisi aktual lapangan, melainkan sebagai rancangan awal yang masih membutuhkan pengukuran dan validasi.

• Kriteria 3 – Ethical Considerations

Pemanfaatan air untuk menggerakkan turbin harus mempertimbangkan kebutuhan masyarakat lain yang menggunakan sumber air serta kondisi lingkungan sekitar. Sistem harus dirancang agar pengambilan air tidak memberikan dampak berlebihan terhadap ekosistem dan kebutuhan air lainnya.

• Kriteria 4 – Integration of CCIT (Cara Cerdas Ingat Tuhan)

Alhamdulillahirabbil’alamin. Penulis menyadari bahwa kesehatan, kemampuan berpikir, kesempatan belajar, dan rezeki yang memungkinkan terselesaikannya proyek ini merupakan nikmat dari Allah SWT. Oleh karena itu, proses perancangan dilakukan dengan kesadaran untuk memanfaatkan ilmu yang diberikan secara bertanggung jawab dan memberikan manfaat bagi masyarakat.

• Kriteria 5 – Critical Reflection

Hasil perancangan dievaluasi secara kritis dengan mempertimbangkan keterbatasan asumsi, kemungkinan kehilangan energi, kebutuhan pemeliharaan, serta perbedaan antara kondisi teoritis dan kondisi lapangan.

• Kriteria 6 – Continuum of Awareness

Kesadaran terhadap tujuan dan dampak perancangan diterapkan secara berkelanjutan mulai dari identifikasi kebutuhan irigasi, pemilihan turbin, perhitungan, simulasi, hingga evaluasi hasil.

2. Intention of the Project Activity

• Kriteria 7 – Clarity of Intent

Proyek ini bertujuan merancang Turbin Pelton yang dapat digunakan sebagai penggerak pompa irigasi sawah dengan memanfaatkan energi air yang tersedia.

• Kriteria 8 – Alignment of Objectives

Tujuan teknis perancangan diselaraskan dengan kebutuhan irigasi, yaitu menghasilkan daya mekanik yang cukup untuk menggerakkan pompa pada debit dan head yang telah ditentukan.

• Kriteria 9 – Relevance of Intent

Pemanfaatan Turbin Pelton sebagai penggerak pompa relevan pada lokasi yang memiliki sumber air dengan head yang cukup tinggi dan dapat dimanfaatkan untuk menyediakan energi mekanik bagi sistem irigasi.

• Kriteria 10 – Sustainability Focus

Sistem diarahkan untuk memanfaatkan energi air sebagai sumber energi terbarukan sehingga kebutuhan energi eksternal dapat dikurangi, dengan tetap memperhatikan keberlanjutan sumber air.

• Kriteria 11 – Focus on Quality

Perancangan memprioritaskan ketepatan perhitungan, kesesuaian parameter, keamanan operasi, kemudahan pemeliharaan, dan kemampuan sistem untuk memenuhi kebutuhan pompa.

F. Introduction 

Sistem irigasi merupakan bagian penting dalam kegiatan pertanian karena ketersediaan air sangat mempengaruhi produktivitas lahan. Salah satu metode yang umum digunakan untuk mengalirkan air menuju lahan pertanian adalah menggunakan pompa. Pompa membutuhkan energi untuk meningkatkan tekanan dan mengalirkan air menuju lokasi yang memiliki elevasi lebih tinggi.

Pada daerah yang memiliki sumber air dengan head yang cukup besar, energi potensial air dapat dimanfaatkan terlebih dahulu melalui turbin. Salah satu jenis turbin yang sesuai untuk kondisi head tinggi dan debit relatif kecil adalah Turbin Pelton.

Pada proyek ini, Turbin Pelton dirancang bukan untuk menghasilkan listrik, tetapi untuk menghasilkan daya mekanik pada poros yang kemudian digunakan untuk menggerakkan pompa irigasi.

1. Initial Thinking 

– Menganalisis Masalah Secara Sistematis:

• Kriteria 12 – Problem Understanding

Permasalahan utama adalah kebutuhan energi untuk menggerakkan pompa irigasi sawah. Pompa membutuhkan daya mekanik untuk mengalirkan air dari sumber menuju lahan pertanian.

Sebagai studi awal, kebutuhan pompa diasumsikan sebesar:

Qp = 20 L/s

atau:

Qp = 0,020 m³/s

dengan head pompa:

Hp = 15 m

Pompa dengan kondisi tersebut membutuhkan daya tertentu yang harus disediakan oleh sumber penggerak. Oleh karena itu, Turbin Pelton dirancang agar mampu menyediakan daya poros yang diperlukan.

• Kriteria 13 – Stakeholder Awareness

Perancangan sistem ini secara komprehensif mempertimbangkan perspektif para pemangku kepentingan, terutama petani yang membutuhkan suplai air irigasi, serta masyarakat sekitar dan ekosistem sungai agar pengambilan air tidak menimbulkan dampak negatif.

• Kriteria 14 – Contextual Analysis

Permasalahan ditempatkan pada konteks fisik dan sosial yang spesifik, yakni pada topografi daerah yang memiliki sumber air dengan head (elevasi jatuh) yang cukup besar sehingga energi potensial air relevan untuk dimanfaatkan.

• ​Kriteria 15 – Root Cause Analysis

Akar permasalahan yang diidentifikasi bukanlah sekadar mendistribusikan air, melainkan tingginya ketergantungan terhadap pasokan energi eksternal untuk memutar pompa, yang menuntut adanya solusi energi mandiri berbasis potensi lokal.

• ​Kriteria 16 – Relevance of Analysis

Proses perancangan diarahkan pada penyelesaian yang praktis dan aplikatif. Penggunaan Turbin Pelton difokuskan murni untuk menghasilkan daya poros yang langsung menggerakkan pompa, memastikan analisis benar-benar menjawab kebutuhan operasional tanpa sistem yang terlalu rumit.

• ​Kriteria 17 – Use of Data and Evidence

Pemahaman masalah dan perancangan divalidasi menggunakan data yang kredibel dan terukur. Asumsi awal debit (Qp = 20~L/s) dan head (Hp = 15~m) menjadi landasan matematis yang solid untuk memastikan turbin dirancang dengan bukti kebutuhan daya yang akurat.

– Research Gap :

Turbin Pelton telah banyak digunakan pada sistem pembangkit dan pemanfaatan energi air dengan karakteristik head tinggi dan debit relatif kecil. Namun, penerapan turbin sebagai penggerak langsung pompa irigasi memiliki kebutuhan desain yang berbeda dibandingkan penggunaannya untuk pembangkit listrik.

Pada sistem pembangkit listrik, keluaran turbin berupa daya mekanik digunakan untuk memutar generator. Pada proyek ini, daya mekanik turbin langsung digunakan untuk menggerakkan pompa. Oleh karena itu, parameter turbin perlu disesuaikan dengan kebutuhan daya dan putaran pompa.

– Mengurai Masalah:

Permasalahan sistem dapat diuraikan menjadi beberapa bagian, yaitu:

1. Menentukan kebutuhan debit air irigasi.
2. Menentukan head pompa.
3. Menentukan daya hidrolik pompa.
4. Menentukan daya poros pompa berdasarkan efisiensi.
5. Menentukan daya turbin yang diperlukan.
6. Menentukan debit yang dibutuhkan oleh Turbin Pelton.
7. Menentukan ukuran nozzle.
8. Menentukan kecepatan dan diameter runner.
9. Menentukan torsi poros turbin.
10. Mengevaluasi performa sistem melalui simulasi MATLAB.

– Alur Sistem :

Perancangan didasarkan pada prinsip konservasi energi dan mekanika fluida. Energi potensial air dikonversikan menjadi energi kinetik melalui nozzle, kemudian energi kinetik jet air digunakan untuk menghasilkan putaran runner Turbin Pelton.

Pada sisi pompa, energi mekanik dari poros digunakan untuk meningkatkan energi fluida sehingga air dapat dialirkan menuju lahan pertanian.

Hubungan dasar sistem dapat digambarkan sebagai:

Energi potensial air → nozzle → jet air → runner Pelton → poros → pompa → air irigasi

– Analisis State of the Art:

Teknologi turbin air terus dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dan menyesuaikan sistem dengan kondisi sumber air. Dalam aplikasi skala kecil, kesederhanaan konstruksi, kemudahan perawatan, dan kemampuan menggunakan sumber energi lokal menjadi faktor penting.

Pada proyek ini digunakan pendekatan simulasi MATLAB untuk melihat pengaruh perubahan head dan debit terhadap daya turbin. Pendekatan tersebut memungkinkan desain awal dievaluasi sebelum dilakukan pembuatan prototipe atau pengujian lapangan.

G. Methods & Procedures 

1. Idealization:

• Kriteria 18 – Assumption Clarity

Untuk menyederhanakan proses perancangan, digunakan asumsi berikut:

Parameter	Nilai
Debit pompa, Qp	0,020 m³/s
Head pompa, Hp	15 m
Efisiensi pompa, ηp	70%
Head turbin, Ht	50 m
Efisiensi turbin, ηt	80%
Efisiensi transmisi, ηc	95%
Massa jenis air, ρ	1000 kg/m³
Gravitasi, g	9,81 m/s²
Koefisien nozzle, Cv	0,98
Speed ratio, Ku	0,46
Putaran turbin, N	1000 rpm

Seluruh nilai tersebut merupakan asumsi desain awal. Nilai aktual harus diperoleh melalui pengukuran lapangan.

• Kriteria 19 – Creativity and Innovation

Konsep yang digunakan adalah menggabungkan Turbin Pelton dengan pompa irigasi secara mekanis. Dengan konsep tersebut, energi air tidak perlu terlebih dahulu dikonversikan menjadi listrik, tetapi dapat langsung digunakan dalam bentuk energi mekanik untuk menggerakkan pompa.

• Kriteria 20 – Physical Realism

Model menggunakan persamaan energi dan hubungan dasar mekanika fluida. Daya pompa dihitung dari debit dan head, sedangkan daya turbin dihitung dari energi hidrolik yang tersedia dan efisiensi turbin.

• Kriteria 21 – Alignment with Intent

Seluruh parameter desain diarahkan agar daya poros turbin mencukupi kebutuhan daya poros pompa.

• Kriteria 22 – Scalability and Adaptability

Sistem dapat disesuaikan dengan kebutuhan lahan yang berbeda dengan mengubah debit pompa, head pompa, head turbin, dan efisiensi sistem.

• Kriteria 23 – Simplicity and Elegance

Penggunaan turbin sebagai penggerak langsung pompa membuat sistem relatif sederhana karena tidak membutuhkan generator sebagai tahap konversi tambahan.

2. Instruction :

1. Menentukan Persyaratan Sistem

Kebutuhan awal pompa ditentukan sebesar:

Qp = 20 L/s

Qp = 0,020 m³/s

Head pompa ditentukan sebesar:

Hp = 15 m

Efisiensi pompa diasumsikan:

ηp = 70%

2. Menghitung Daya Hidrolik Pompa

Daya hidrolik yang dibutuhkan pompa dihitung menggunakan:

Pwater,pump = ρ × g × Qp × Hp

Pwater,pump = 1000 × 9,81 × 0,020 × 15

Pwater,pump = 2.943 W

Pwater,pump = 2,943 kW

Nilai tersebut merupakan daya hidrolik yang harus diberikan kepada air oleh pompa.

3. Menghitung Daya Poros Pompa

Karena efisiensi pompa tidak 100%, daya poros yang dibutuhkan lebih besar daripada daya hidrolik air.

Persamaannya:

Ppump = Pwater,pump / ηp

Ppump = 2.943 / 0,70

Ppump = 4.204 W

Ppump ≈ 4,204 kW

Jadi pompa membutuhkan daya mekanik pada poros sekitar 4,204 kW.

4. Menentukan Daya Turbin yang Dibutuhkan

Daya dari turbin tidak seluruhnya diteruskan ke pompa karena terdapat kehilangan pada sistem transmisi atau kopling.

Efisiensi transmisi diasumsikan:

ηc = 0,95

Hubungan daya turbin dengan daya pompa:

Ppump = ηc × Pturbine

Sehingga:

Pturbine = Ppump / ηc

Pturbine = 4.204 / 0,95

Pturbine ≈ 4,425 kW

Dengan demikian, turbin harus menghasilkan daya poros sekitar 4,425 kW.

5. Menentukan Daya Hidrolik Turbin

Efisiensi Turbin Pelton diasumsikan sebesar:

ηt = 80%

Hubungan daya poros turbin dengan daya hidrolik:

Pturbine = ηt × Ph,turbine

Sehingga:

Ph,turbine = Pturbine / ηt

Ph,turbine = 4,425 / 0,80

Ph,turbine ≈ 5,532 kW

Jadi, sumber air harus menyediakan daya hidrolik sekitar 5,532 kW untuk menghasilkan daya poros turbin sebesar 4,425 kW.

6. Menentukan Debit Turbin

Daya hidrolik turbin dihitung dengan:

Ph,turbine = ρ × g × Qt × Ht

Sehingga:

Qt = Ph,turbine / (ρ × g × Ht)

Dengan:

Ph,turbine = 5.532 W

ρ = 1000 kg/m³

g = 9,81 m/s²

Ht = 50 m

Maka:

Qt = 5.532 / (1000 × 9,81 × 50)

Qt ≈ 0,01128 m³/s

atau:

Qt ≈ 11,28 L/s

Jadi, debit air yang diperlukan untuk mengoperasikan Turbin Pelton adalah sekitar 11,28 L/s.

7. Menghitung Kecepatan Jet

Kecepatan jet air dari nozzle dihitung dengan:

V₁ = Cv × √(2 × g × Ht)

V₁ = 0,98 × √(2 × 9,81 × 50)

V₁ ≈ 30,69 m/s

Dengan demikian, jet air keluar dari nozzle dengan kecepatan sekitar 30,69 m/s.

8. Menentukan Diameter Nozzle

Luas penampang nozzle ditentukan berdasarkan:

Q = A × V₁

Sehingga:

A = Qt / V₁

A = 0,01128 / 30,69

A ≈ 0,0003675 m²

Luas penampang nozzle juga memiliki hubungan:

A = π × d² / 4

Sehingga:

d = √(4 × A / π)

d = √(4 × 0,0003675 / π)

d ≈ 0,0216 m

atau:

d ≈ 21,6 mm

Diameter nozzle awal yang digunakan adalah sekitar 22 mm.

9. Menentukan Kecepatan Runner

Kecepatan periferal runner ditentukan dengan speed ratio:

u = Ku × V₁

u = 0,46 × 30,69

u ≈ 14,12 m/s

10. Menentukan Diameter Runner

Hubungan antara kecepatan periferal dan diameter runner adalah:

u = (π × D × N) / 60

Sehingga:

D = (60 × u) / (π × N)

Dengan putaran:

N = 1000 rpm

Maka:

D = (60 × 14,12) / (π × 1000)

D ≈ 0,269 m

atau:

D ≈ 269 mm

Diameter runner awal yang digunakan adalah sekitar 270 mm.

11. Menentukan Kecepatan Sudut

Kecepatan sudut runner:

ω = (2 × π × N) / 60

ω = (2 × π × 1000) / 60

ω ≈ 104,72 rad/s

12. Menentukan Torsi Turbin

Torsi dihitung dari:

T = Pturbine / ω

T = 4.425 / 104,72

T ≈ 42,3 Nm

Dengan demikian, poros turbin perlu menyediakan torsi sekitar 42,3 Nm pada putaran 1000 rpm.

13. Perkiraan Jumlah Bucket

Sebagai perkiraan awal, jumlah bucket dapat dihitung menggunakan pendekatan:

Z ≈ 15 + D / (2d)

Dengan:

D = 0,269 m

d = 0,0216 m

Maka:

Z ≈ 15 + 0,269 / (2 × 0,0216)

Z ≈ 21,2

Karena jumlah bucket harus berupa bilangan bulat, maka dipilih:

Z ≈ 21 bucket

Nilai tersebut merupakan perkiraan awal dan perlu divalidasi kembali melalui desain bucket dan analisis manufaktur.

• Kriteria 24 – Clarity of Steps

Tahapan perancangan dilakukan secara berurutan dari kebutuhan pompa hingga parameter Turbin Pelton sehingga hubungan antara kebutuhan irigasi dan ukuran turbin dapat ditelusuri dengan jelas.

• Kriteria 25 – Comprehensiveness

Perhitungan mencakup kebutuhan daya pompa, daya turbin, debit turbin, kecepatan jet, diameter nozzle, kecepatan runner, diameter runner, torsi, dan perkiraan jumlah bucket.

• Kriteria 26 – Physical Interpretation

Setiap hasil perhitungan memiliki arti fisik. Debit 11,28 L/s menunjukkan kebutuhan aliran melalui turbin, kecepatan jet 30,69 m/s menunjukkan kecepatan air ketika memasuki bucket, sedangkan torsi 42,3 Nm menunjukkan kemampuan poros turbin dalam memberikan gaya putar pada pompa.

• Kriteria 27 – Error Minimization

Perhitungan dilakukan secara berurutan dan kemudian dimasukkan ke dalam MATLAB untuk mengurangi kesalahan perhitungan manual dan memudahkan perubahan parameter desain.

• Kriteria 28 – Verification and Validation

Verifikasi dilakukan dengan menghitung kembali aliran energi dari daya hidrolik turbin hingga daya poros pompa:

5,532 kW × 80% = 4,426 kW

4,426 kW × 95% ≈ 4,204 kW

Nilai tersebut sesuai dengan kebutuhan daya poros pompa.

• Kriteria 29 – Iterative Approach

Apabila hasil simulasi belum memenuhi kebutuhan pompa, parameter seperti head turbin, debit, diameter runner, atau putaran dapat diubah dan simulasi dijalankan kembali.

• Kriteria 30 – Sustainability Integration

Pemanfaatan energi air sebagai penggerak pompa dapat mengurangi kebutuhan energi eksternal selama kondisi sumber air mampu menyediakan head dan debit yang diperlukan. Pengambilan air tetap harus disesuaikan dengan kebutuhan lingkungan dan pengguna air lainnya.

• Kriteria 31 – Communication Effectiveness

Hasil perhitungan kemudian divisualisasikan menggunakan grafik MATLAB sehingga hubungan antara parameter desain dapat dipahami dengan lebih mudah.

• Kriteria 32 – Alignment with the DAI5 Framework

Tahapan perhitungan dan simulasi merupakan bagian dari Instruction Set yang melanjutkan proses identifikasi masalah, penentuan niat, analisis kebutuhan, dan idealisasi sistem dalam kerangka DAI5.

H. Results & Discussion

1. Hasil Perancangan

Hasil perhitungan awal menghasilkan parameter utama sebagai berikut.

Parameter	Hasil
Debit pompa	20 L/s
Head pompa	15 m
Efisiensi pompa	70%
Daya hidrolik pompa	2,943 kW
Daya poros pompa	4,204 kW
Efisiensi transmisi	95%
Daya poros turbin	4,425 kW
Efisiensi turbin	80%
Head turbin	50 m
Debit turbin	11,28 L/s
Kecepatan jet	30,69 m/s
Diameter nozzle	21,6 mm
Speed ratio	0,46
Putaran turbin	1000 rpm
Diameter runner	269 mm
Torsi turbin	42,3 Nm
Perkiraan jumlah bucket	21

2. Simulasi MATLAB

[Kriteria 33 – Documentation Quality]

Simulasi MATLAB digunakan untuk memvisualisasikan hasil perancangan dan mengetahui sensitivitas sistem terhadap perubahan head dan debit. Program dibuat berdasarkan persamaan yang telah digunakan pada tahap perhitungan.

3. Pembahasan Grafik MATLAB

Grafik 1 – Pengaruh Head terhadap Daya Turbin

Grafik pertama menunjukkan hubungan antara head Turbin Pelton dan daya yang dihasilkan turbin. Sumbu horizontal menunjukkan head dalam meter, sedangkan sumbu vertikal menunjukkan daya turbin dalam kilowatt.

Berdasarkan grafik, terlihat bahwa daya turbin meningkat ketika head meningkat. Hal ini terjadi karena daya hidrolik berbanding lurus dengan head ketika debit dipertahankan tetap.

Pada kondisi desain dengan head sebesar 50 m, daya poros turbin yang dibutuhkan berada pada kisaran 4,425 kW.

Grafik ini menunjukkan bahwa semakin besar energi potensial air yang tersedia akibat peningkatan head, semakin besar pula kemampuan turbin untuk menghasilkan daya mekanik.

Grafik 2 – Pengaruh Debit terhadap Daya Turbin

Grafik kedua menunjukkan hubungan antara debit air yang melewati turbin dengan daya turbin.Pada grafik terlihat bahwa peningkatan debit menyebabkan peningkatan daya turbin. Hal ini disebabkan oleh semakin banyaknya massa air yang tersedia untuk dikonversikan menjadi energi mekanik.

Pada kondisi desain, debit turbin yang diperlukan adalah sekitar 11,28 L/s untuk menghasilkan daya poros sekitar 4,425 kW pada head 50 m.

Grafik ini menunjukkan bahwa apabila debit aktual sumber air lebih kecil daripada kebutuhan desain, daya turbin juga akan menurun. Oleh karena itu, pengukuran debit sungai menjadi penting sebelum sistem diterapkan.

Grafik 3 – Hubungan Head, Debit, dan Daya Turbin

Grafik ketiga merupakan grafik tiga dimensi yang menunjukkan hubungan antara head, debit, dan daya turbin secara bersamaan.

Sumbu pertama menunjukkan head turbin, sumbu kedua menunjukkan debit, sedangkan sumbu ketiga menunjukkan daya turbin.

Dari grafik terlihat bahwa daya meningkat ketika head maupun debit meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa kedua parameter tersebut harus dipertimbangkan secara bersamaan dalam menentukan kemampuan Turbin Pelton.

Kondisi desain yang digunakan berada pada:

H = 50 m

Q = 11,28 L/s

Dengan kondisi tersebut diperoleh daya hidrolik turbin sekitar 5,532 kW dan daya poros sekitar 4,425 kW setelah mempertimbangkan efisiensi turbin sebesar 80%.

Grafik ini juga dapat digunakan untuk menentukan apakah sumber air dengan kondisi tertentu mampu menyediakan daya yang dibutuhkan pompa.

Grafik 4 – Efisiensi Komponen Sistem

Grafik keempat membandingkan efisiensi pompa, turbin, dan transmisi.

Efisiensi yang digunakan dalam simulasi adalah:

• Pompa = 70%
• Turbin = 80%
• Transmisi = 95%

Efisiensi tidak hanya menunjukkan kemampuan Turbin Pelton, tetapi juga menunjukkan bahwa setiap komponen mengalami kehilangan energi.

Dalam sistem ini, daya hidrolik air sebesar sekitar 5,532 kW dikonversikan oleh turbin dengan efisiensi 80% menjadi sekitar 4,425 kW daya mekanik. Setelah melewati transmisi dengan efisiensi 95%, daya yang diteruskan ke pompa menjadi sekitar 4,204 kW, sesuai dengan kebutuhan daya poros pompa.

Dengan demikian, grafik efisiensi menunjukkan bahwa keberhasilan sistem tidak hanya bergantung pada turbin, tetapi juga pada performa pompa dan sistem transmisi.

4. Diskusi Hasil

Berdasarkan hasil perhitungan dan simulasi MATLAB, Turbin Pelton yang dirancang mampu menyediakan daya mekanik yang sesuai dengan kebutuhan pompa irigasi berdasarkan asumsi desain.

Pompa dirancang untuk mengalirkan air sebesar 20 L/s dengan head 15 m. Kebutuhan daya poros pompa diperoleh sebesar 4,204 kW.

Untuk menyediakan daya tersebut, Turbin Pelton dirancang dengan head 50 m dan debit sekitar 11,28 L/s. Dengan efisiensi turbin sebesar 80%, diperoleh daya poros sekitar 4,425 kW.

Setelah memperhitungkan efisiensi transmisi sebesar 95%, daya yang sampai ke pompa adalah sekitar:

4,425 × 0,95 ≈ 4,204 kW

Nilai tersebut sesuai dengan kebutuhan pompa.

Hasil ini menunjukkan bahwa secara teoritis sistem dapat digunakan untuk menggerakkan pompa irigasi. Namun, hasil tersebut masih didasarkan pada asumsi dan belum memperhitungkan seluruh kehilangan energi yang mungkin terjadi pada kondisi nyata, seperti kehilangan pada penstock, nozzle, bearing, kopling, dan variasi debit sumber air.

I. Conclusion, Closing Remarks, Recommendation

• Kesimpulan

Berdasarkan hasil perancangan dan simulasi, Turbin Pelton dapat digunakan sebagai konsep awal penggerak pompa irigasi sawah pada kondisi sumber air dengan head relatif tinggi dan debit yang sesuai.

Dengan asumsi debit pompa sebesar 20 L/s, head pompa 15 m, dan efisiensi pompa 70%, diperoleh kebutuhan daya poros pompa sebesar sekitar 4,204 kW.

Turbin Pelton dirancang dengan head 50 m dan efisiensi 80%. Dengan mempertimbangkan efisiensi transmisi 95%, turbin membutuhkan daya poros sekitar 4,425 kW dan debit sekitar 11,28 L/s.

Hasil perancangan menghasilkan kecepatan jet sekitar 30,69 m/s, diameter nozzle sekitar 21,6 mm, diameter runner sekitar 269 mm, putaran runner 1000 rpm, dan torsi sekitar 42,3 Nm.

Hasil simulasi MATLAB menunjukkan bahwa peningkatan head dan debit akan meningkatkan daya turbin. Grafik tiga dimensi juga menunjukkan bahwa daya turbin ditentukan oleh kombinasi kedua parameter tersebut.

• Penutup

Perancangan ini menunjukkan penerapan kerangka DAI5 dalam menyelesaikan permasalahan teknik yang berkaitan dengan pemanfaatan energi air. Pendekatan dimulai dari identifikasi kebutuhan irigasi, penentuan tujuan, idealisasi sistem, perhitungan teknis, hingga simulasi menggunakan MATLAB.

• Rekomendasi

Untuk pengembangan berikutnya, diperlukan pengukuran langsung terhadap head efektif, debit sumber air, variasi debit sepanjang musim, dan kondisi lahan.

Selain itu, desain dapat dikembangkan dengan melakukan analisis lebih detail terhadap bentuk bucket, jumlah bucket, diameter runner, nozzle, penstock, bearing, kopling, dan sistem transmisi antara turbin dan pompa.

Pengujian eksperimental juga diperlukan untuk mengetahui efisiensi aktual Turbin Pelton dan memastikan bahwa daya yang dihasilkan benar-benar mampu memenuhi kebutuhan pompa pada kondisi lapangan.

J. Acknowledge 

Alhamdulillahirabbil’alamin, penulis memanjatkan puji dan syukur kepada Allah SWT atas kesehatan, kemampuan, kesempatan, dan rezeki yang diberikan sehingga laporan ini dapat diselesaikan.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada dosen, teman, serta semua pihak yang telah memberikan ilmu, arahan, dukungan, dan masukan selama proses penyusunan proyek ini.

Penulis menyadari bahwa penyelesaian laporan ini tidak terlepas dari pertolongan Allah SWT serta dukungan dari berbagai pihak. Semoga ilmu dan hasil perancangan yang diperoleh dapat memberikan manfaat dan menjadi langkah untuk menghasilkan karya teknik yang berguna bagi masyarakat.

K. (References) Literature Cited

1. U.S. Department of Energy. Types of Hydropower Turbines.
2. U.S. Department of Energy. Microhydropower Systems.
3. IEC. IEC 62006:2010 – Hydraulic Machines – Acceptance Tests for Small Hydroelectric Installations.
4. Fox, R. W., Pritchard, P. J., & McDonald, A. T. Introduction to Fluid Mechanics.
5. Çengel, Y. A., & Cimbala, J. M. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications.

L. Appendices 

Lampiran 1. Parameter Awal Perancangan

Parameter	Nilai
Debit pompa	20 L/s
Head pompa	15 m
Efisiensi pompa	70%
Head turbin	50 m
Efisiensi turbin	80%
Efisiensi transmisi	95%
Debit turbin	11,28 L/s
Diameter nozzle	21,6 mm
Diameter runner	269 mm
Putaran turbin	1000 rpm
Torsi turbin	42,3 Nm
Jumlah bucket	21

Lampiran 2. Hasil Perhitungan

Daya hidrolik pompa:

2,943 kW

Daya poros pompa:

4,204 kW

Daya poros turbin:

4,425 kW

Daya hidrolik turbin:

5,532 kW

Debit turbin:

11,28 L/s

Kecepatan jet:

30,69 m/s

Diameter nozzle:

21,6 mm

Diameter runner:

269 mm

Torsi:

42,3 Nm

Lampiran 3. Hasil Simulasi MATLAB

Gambar Lampiran 1. Pengaruh Head terhadap Daya Turbin

Gambar Lampiran 2. Pengaruh Debit terhadap Daya Turbin

Gambar Lampiran 3. Hubungan Head, Debit, dan Daya Turbin

Gambar Lampiran 4. Efisiensi Komponen Sistem