Turbin Pelton adalah turbin impuls. Seluruh energi air diubah menjadi energi kinetik di nosel, lalu pancaran air (jet) menumbuk bucket pada roda dan memutarnya. Air meninggalkan runner pada tekanan atmosfer, jadi tidak ada beda tekanan antara sisi masuk dan sisi keluar roda.
Komponen utamanya ada tiga. Air dari reservoir mengalir lewat pipa pesat (penstock) ke nosel. Di dalam nosel ada needle valve (spear), batang runcing yang bergerak maju-mundur untuk mengubah luas bukaan sehingga debit bisa diatur. Jet yang keluar mengenai runner, yaitu roda dengan bucket berbentuk dua mangkuk kembar yang dipisahkan splitter di tengah. Splitter membelah jet menjadi dua aliran yang dibelokkan ke kedua sisi bucket.
Turbin impuls cocok untuk head tinggi dan debit kecil karena daya air bergantung pada hasil kali debit dan head. Di pegunungan, debit biasanya kecil tetapi head bisa mencapai ratusan sampai ribuan meter. Dengan head setinggi itu, jet tipis pun sudah membawa daya besar. Rumah turbin juga tidak perlu terisi penuh air bertekanan seperti pada turbin reaksi.
Energi yang tersedia ditentukan oleh head neto H, yaitu head kotor dikurangi rugi-rugi pipa. Di nosel, head ini diubah menjadi kecepatan jet. Tanpa rugi, berlaku persamaan Torricelli:
Pada nosel nyata ada gesekan, sehingga dipakai koefisien kecepatan Cแตฅ:
Nilai Cแตฅ umumnya 0,98โ0,99, jadi efisiensi nosel sekitar 96โ98%. Rugi di nosel cukup kecil. Debit jet dihitung dari luas penampang dan kecepatannya:
dengan d diameter jet. Needle valve mengubah Q lewat luas bukaan, sedangkan Vโ hampir konstan selama head tidak berubah.
Jet menumbuk bucket yang bergerak dengan kecepatan keliling u. Ada dua segitiga kecepatan yang perlu ditinjau.
Pada sisi masuk, jet datang searah garis singgung roda. Relatif terhadap bucket, kecepatan air adalah Wโ = Vโ โ u, karena bucket bergerak searah jet.
Pada sisi keluar, air berbelok mengikuti permukaan bucket. Gesekan membuat kecepatan relatif turun, Wโ = kWโ dengan k sedikit di bawah 1 (sekitar 0,9โ1). Air keluar dengan kecepatan relatif Wโ membentuk sudut ฮฒ terhadap arah belakang bucket. Kecepatan absolutnya adalah jumlah vektor Wโ dan u, dan komponen searah jet adalah:
Gaya pada bucket bucket:
Suku 1 berasal dari air yang dihentikan terhadap bucket, dan suku k cos ฮฒ berasal dari air yang dibalik arahnya. Semakin besar pembalikan arah, semakin besar gaya.
Daya yang diberikan jet ke runner adalah gaya dikali kecepatan bucket:
Daya yang tersedia pada jet adalah energi kinetiknya, yaitu ยฝฯQVโยฒ. Dengan rasio kecepatan ฯ = u/Vโ, efisiensi hidroliknya adalah:
Secara intuitif, jika bucket diam (ฯ = 0), gayanya besar tetapi tidak ada gerakan, sehingga daya nol. Jika bucket sama cepat dengan jet (ฯ = 1), air tidak lagi menumbuk bucket, sehingga gayanya nol. Maksimum ada di antara keduanya:
Efisiensi maksimumnya:
Untuk kasus ideal k = 1 dan ฮฒ = 0ยฐ (belok penuh 180ยฐ), ฮทโ,maks = 100%. Pada kondisi itu air keluar dengan kecepatan absolut nol, sehingga seluruh energi kinetiknya terserap. Pada kurva karakteristik, puncak kurva teoretis memang di u/Vโ = 0,5, sedangkan puncak kurva aktual sedikit lebih ke kiri. Dalam perancangan, rasio yang dipakai sekitar 0,43โ0,48 karena adanya gesekan dan hambatan udara pada roda.
Pertama, sudut. ฮฒ di sini adalah sudut keluar aliran relatif yang diukur dari arah belakang bucket, sedangkan sudut defleksi aliran adalah 180ยฐ โ ฮฒ. Bucket Pelton nyata membelokkan air sekitar 165ยฐ, artinya ฮฒ โ 15ยฐ dan cos ฮฒ โ 0,97. Faktor (1 + k cos ฮฒ) hanya sedikit di bawah nilai maksimumnya.
Alasan tidak dibelokkan penuh 180ยฐ adalah air yang keluar akan menabrak bagian belakang bucket berikutnya dan menghambat putaran. Sudut keluar 10ยฐโ15ยฐ membuat air bekas terlempar ke samping dan lolos. Kehilangan efisiensinya hanya sekitar 1โ2%.
Beberapa pilihan desain lain:
- Proporsi geometri: diameter roda sekitar 11โ16 kali diameter jet (D/d), lebar bucket sekitar 3โ4 d.
- Jumlah bucket: rumus empiris z = 15 + D/(2d). Jika terlalu sedikit, sebagian air lolos tanpa terpakai. Jika terlalu banyak, bucket saling menghalangi.
- Efisiensi keseluruhan: biasanya diasumsikan 80โ87%, sudah mencakup rugi pipa, nosel, gesekan, dan mekanik.
- Pengaturan beban: putaran roda dikunci oleh generator, jadi rasio u/Vโ dipertahankan dengan mengubah debit lewat needle valve. Saat beban turun mendadak, deflector plate membelokkan jet menjauhi bucket agar roda tidak berputar berlebihan.
Jalur energi pada turbin Pelton cukup lugas: head menjadi kecepatan jet di nosel, kecepatan jet menjadi gaya lewat momentum di bucket, dan gaya dikali kecepatan menjadi daya poros. Dari satu turunan sederhana diperoleh aturan desain yang dipakai di lapangan, yaitu kecepatan bucket sekitar setengah kecepatan jet.
