ccitonline.com

A. Project Title

Perancangan Turbin Pelton Single-Jet untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air dengan Head Tinggi

B. Author Complete Name

Franklin Joseph Adventio Napitupulu

C. Affiliation

Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia

D. Abstract

Turbin Pelton merupakan turbin impuls yang sesuai untuk pemanfaatan energi air pada kondisi head tinggi dan debit relatif rendah. Paper ini menyusun rancangan awal turbin Pelton single-jet dengan head bersih 100 m dan debit 0.050 m³/s. Kerangka DAI5 mencakup Deep Awareness of I, Intention, Initial Thinking, Idealization, dan Instruction Set. Dengan Cv=0.98, speed ratio=0.46, dan efisiensi awal 85%, daya hidraulik 49.05 kW, estimasi daya keluaran 41.69 kW, kecepatan jet 43.41 m/s, diameter jet 38.3 mm, diameter runner 0.432 m pada 900 rpm, dan jumlah bucket awal 21. Ini adalah desain konseptual yang memerlukan validasi lanjutan.

E. Author Declaration

1. Deep Awareness of I
   Perancangan diawali dengan kesadaran bahwa air, energi, dan hukum fisika merupakan bagian dari keteraturan ciptaan Tuhan. Engineer bertanggung jawab mengelola sumber daya secara aman dan bijaksana. Kesadaran diri diterapkan dengan mengungkap asumsi dan keterbatasan data. CCIT dipahami sebagai pengingat berkelanjutan agar keputusan teknis mempertimbangkan manfaat, tanggung jawab, dan konsekuensi sosial-lingkungan. Daya lebih besar tidak otomatis lebih baik jika mengorbankan keselamatan atau debit ekologis.
2. Intention of The Project Activity
   Niat perancangan adalah menyusun rancangan awal Turbin Pelton yang masuk akal untuk head tinggi dan debit tertentu, serta mengevaluasi daya, dimensi, putaran, torsi, dan kebutuhan validasi. Tujuannya bukan sekadar memaksimalkan daya, tetapi mengupayakan solusi yang andal, aman, dan berkelanjutan.

F. Introduction (Initial Thinking)

1. Latar Belakang
   Pada head tinggi dan debit relatif rendah, turbin impuls seperti Pelton dapat menjadi pilihan. Nozzle mengubah energi head menjadi jet berkecepatan tinggi. Jet menumbuk bucket berbentuk mangkuk ganda dan dibelokkan, sehingga perubahan momentum menghasilkan gaya tangensial yang memutar runner. Masalah rekayasa adalah menentukan parameter utama dari head dan debit serta memeriksa konsistensi energi dan momentum.
2. Rumusan masalah :
   menentukan daya hidraulik, kecepatan jet, diameter nozzle, diameter runner, jumlah bucket, estimasi daya poros dan torsi, serta kebutuhan validasi.
3. Tujuan :
   membuat desain konseptual dan mengevaluasinya melalui aspek teknis, etika, keselamatan, dan keberlanjutan.

Untuk memahami konteks penerapan turbin Pelton, Gambar di bawah menunjukkan gambaran umum aliran energi pada sistem PLTA.

4. Data Awal

G. Methods & Procedures

1. Idelization :
   • Konfigurasi dan Asumsi
     Konfigurasi adalah Pelton single-jet, poros horizontal: reservoir/intake -> penstock -> nozzle/spear -> jet -> bucket/runner -> poros -> generator. Asumsi: aliran tunak; air inkompresibel; head yang digunakan adalah head bersih; Cv=0,98; ku=0,46; efisiensi awal 85%; putaran target 900 rpm. Analisis ini belum mencakup desain rinci poros, bantalan, transien, erosi sedimen, dan detail bucket.
   • Persamaan Model
     Daya hidraulik: Ph=rgQH. Daya keluaran: Pout=hPh. Kecepatan jet: Vj=Cv (2gH). Diameter jet: d= (4Q/(pVj)). Kecepatan keliling: u=ku (2gH). Diameter runner: D=60u/(pN). Jumlah bucket awal: Z»15+D/(2d). Torsi: T=Pout/w, dengan w=2pN/60. Persamaan bucket bersifat empiris dan perlu diverifikasi.
2. Instruction Set
   • Perhitungan Daya Hidraulik
     Ph=rgQH=1000×9,81×0.050×100=49.05 kW. Ini adalah laju energi hidraulik yang tersedia sebelum rugi konversi.
   • Perhitungan Daya Keluaran
     Pout=hPh=0.85×49.05=41.69 kW. Nilai ini estimasi mekanik; daya listrik lebih rendah setelah rugi generator/transmisi.
   • Perhitungan Kecepatan Jet
     Vj=Cv (2gH)=0.98 (2×9,81×100)=43.41 m/s.
   • Perhitungan Diameter Jet
     d= (4Q/(pVj))= (4×0.050/(p×43.41))=0.03830 m»38.3 mm.
   • Perhitungan Kecepatan Keliling
     u=ku (2gH)=0.46 (2×9,81×100)=20.38 m/s.
   • Perhitungan Diameter Runner
     D=60u/(pN)=60×20.38/(p×900)=0.432 m. Jet ratio D/d=11.29
   • Perhitungan Jumlah Bucket
     Z»15+D/(2d)=15+0.432/(2×0.03830)=20.65; dipilih 21 bucket untuk estimasi awal.
   • Perhitungan Lebar Bucket
     Estimasi awal B»3,1d=3,1×0.03830=0.119 m
   • Perhitungan Torsi
     w=2pN/60=94.25 rad/s; T=Pout/w=41692/94.25=442.4 N·m. Nilai ini menjadi masukan awal desain poros, bukan ukuran final.
   • Ringkasan Hasil :

Komponen utama turbin Pelton yang menjadi dasar dalam proses idealisasi dan perancangan ditunjukkan pada Gambar.

H. Results & Discussion

Hasil bergantung pada asumsi head, debit, efisiensi, dan putaran. Diameter jet berasal dari kontinuitas; diameter runner ditentukan oleh kecepatan keliling dan putaran target. Perubahan putaran mengubah diameter runner sehingga pemilihan generator harus dilakukan bersama desain turbin. Jumlah bucket berdasarkan rumus empiris harus diperiksa terhadap geometri aktual dan kemungkinan gangguan aliran keluar.

Verifikasi dilakukan dengan pemeriksaan substitusi, satuan, dan konsistensi persamaan. Validasi belum selesai karena tidak ada pengujian. Langkah lanjutan adalah membandingkan jet ratio, speed ratio, jumlah bucket, dan efisiensi dengan literatur serta data turbin sejenis, dan bila tersedia menggunakan simulasi atau pengujian.

Lakukan iterasi jika jet ratio atau putaran tidak sesuai: pilih ulang utaran/generator, hitung ulang diameter runner, lalu evaluasi kembali. Risiko meliputi kegagalan poros, getaran, erosi bucket, kebocoran, dan kondisi transien. Pengendalian mencakup material sesuai, faktor keamanan, inspeksi, pelindung bagian berputar, dan prosedur perawatan. Pengelolaan lingkungan harus mempertahankan debit ekologis serta mempertimbangkan sedimentasi dan habitat.

Rancangan masih konseptual dan belum meliputi perhitungan kehilangan head rinci, penstock, tegangan poros, bantalan, kopling, profil bucket, CFD, transien, dan generator. Efisiensi 85% adalah asumsi, bukan hasil uji.

I. Kesimpulan, Penutup, dan Rekomendasi

Untuk studi kasus ilustratif H=100 m dan Q=0.050 m³/s, daya hidraulik adalah 49.05 kW dan estimasi daya keluaran 41.69 kW. Hasil awal: Vj=43.41 m/s, d=38.3 mm, D=0.432 m pada 900 rpm, jumlah bucket 21, dan torsi 442.4 N·m. Hasil belum siap diproduksi dan memerlukan validasi serta desain mekanik rinci. DAI5 menjaga agar kesadaran, niat, pemahaman masalah, idealisasi, dan perhitungan tetap konsisten dengan ketelitian, keselamatan, manfaat sosial, dan keberlanjutan.

J. Acknowledgments

Terima kasih kepada Prof DAI atas arahan pembelajaran dan juga sudah memberikan kesempatan kepada saya untuk memperdalam ilmu pengetahuan saya tentang turbin. Laporan ini merupakan studi konseptual akademik dan memerlukan peninjauan serta perbaikan berdasarkan masukan.

K. References

[1] Shibayan, “Design of Pelton Wheel,” materi kuliah Fluid Machines, Indian Institute of Technology (ISM) Dhanbad. Tersedia: https://people.iitism.ac.in/~shibayan/MMC%2016101/ (diakses 11 Oktober 2026).
[2] “Micro Pelton Turbines MHPG Series, Vol. 9,” 1991. Materi teknis tentang teori dan parameter desain turbin Pelton. Tersedia melalui PDFRoom: https://pdfroom.com/books/micro-pelton-turbines-mhpg-series-vol-9-1991/ra517ODMgJO (diakses 11 Oktober 2026).
[3] “Modification, Simulation and Demonstration of Laboratory Scale Pelton Turbine for Waterfall Hydropower Plant,” ResearchGate, 2023. Digunakan sebagai referensi tambahan untuk parameter runner, jet ratio, dan bucket. Tersedia: https://www.researchgate.net/publication/374267883_Modification_simulation_and_Demonstration_of_Laboratory_Scale_Pelton_Turbine_for_Waterfall_Hydropower_Plant (diakses 11 Oktober 2026).
[4] Dixon, S. L., and C. A. Hall, Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery. Butterworth-Heinemann.