Tugas Besar Laporan Merancang Turbin CrossFlow (Banki-Michell) – M Gilang Satrio Wijaya 2406348660 SKE 01

بِسْمِ اللَّهِ الرَّحْمَنِ الرَّحِيم

السَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ

Perkenalkan, saya M Gilang Satrio Wijaya (NPM 2406348660), mahasiswa Teknik Mesin. Dalam blog ini, saya mempaparkan laporan Perancangan dan Analisis Turbin Crossflow guna memenuhi Tugas Besar mata kuliah Sistem Konversi Energi sekaligus mengulas penerapannya secara praktis.

A. PROJECT TITLE

Desain Konseptual dan Pemodelan Kinematika Turbin Crossflow Mikrohidro Berlandaskan Kerangka Analisis DAI5

B. AUTHOR COMPLETE NAME

M Gilang Satrio Wijaya (NPM: 2406348660)

C. AFFILIATION

Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

D. ABSTRACT

Makalah ini menyajikan kajian analitik dan perancangan dimensi fisik turbin impuls aksi ganda (Crossflow) untuk aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) di kawasan pedesaan. Berbeda dengan pendekatan trial-and-error konvensional, riset ini mengadopsi metodologi DAI5 secara komprehensif. Basis desain menggunakan parameter hidrologi tipikal sungai lokal, yakni net head 10 m dan debit stabil 0,25 m³/s. Konversi energi dievaluasi dari First Principles Termodinamika dan Persamaan Euler. Hasil komputasi numerik mengindikasikan bahwa daya hidraulik 24,52 kW mampu dikonversi menjadi shaft power aktual sebesar 19,41 kW (asumsi efisiensi sistem total 79,13%). Geometri turbin beroperasi optimal pada putaran 300 RPM dengan diameter rotor 41,9 cm dan lebar 43,5 cm. Proporsi (aspect ratio) yang mendekati 1:1 ini terbukti memitigasi risiko defleksi poros dan sangat relevan untuk diproduksi menggunakan fasilitas bengkel fabrikasi menengah di daerah terpencil.

E. AUTHOR DECLARATION

1. Deep Awareness (of) I

Analisis rekayasa (engineering analysis) sejatinya melampaui batas perhitungan matematis semata. Penulis meyakini secara mendalam bahwa keteraturan mekanika fluida, konservasi massa, dan perpindahan momentum merupakan manifestasi mutlak dari hukum alam yang ditetapkan oleh Tuhan Yang Maha Esa. Kesadaran ini (CCIT – Cara Cerdas Ingat Tuhan) menjadi fondasi integritas penulis untuk tidak memanipulasi rentang efisiensi desain, menyajikan asumsi operasional secara transparan, dan merancang alat yang menyeimbangkan eksploitasi energi dengan kelestarian ekosistem sungai. Kesadaran tersebut diterapkan dalam beberapa aspek:

Ketelitian perhitungan, karena kesalahan kecil pada parameter dimensi turbin dapat menghasilkan kesalahan besar pada konversi daya.
Kejujuran terhadap data, dengan tidak menyatakan nilai efisiensi empiris sebagai efisiensi absolut sistem.
Tidak memanipulasi hasil untuk membuat performa alat terlihat sempurna di luar nalar mekanika.
Tanggung jawab terhadap keselamatan operasi.
Keberlanjutan lingkungan ekosistem sungai pedesaan.

2. Intention of the Project Activity

Tujuan esensial dari tugas besar ini adalah mengaplikasikan teori turbomachinery untuk memecahkan krisis elektrifikasi di wilayah off-grid. Proyek ini diniatkan untuk menghasilkan cetak biru turbin mikrohidro yang tidak hanya akurat secara termodinamika, tetapi juga tangguh secara mekanis, mudah dirawat (low maintenance), dan berorientasi pada kebermanfaatan jangka panjang bagi masyarakat desa. Secara khusus, proyek ini bertujuan untuk:

Memahami prinsip kerja turbin impuls aksi ganda (Crossflow).
Menentukan parameter operasional berdasarkan data hidrologi head dan debit pedesaan.
Menghitung daya hidraulik dan daya mekanik poros.
Merancang dimensi awal runner (Diameter dan Lebar) yang ideal untuk fabrikasi lokal.
Menganalisis segitiga kecepatan aliran yang menabrak sudu.
Mengotomatisasi perhitungan matematis menggunakan MATLAB.
Melakukan iterasi desain dan analisis sensitivitas kinerja turbin.
Mengimplementasikan verifikasi berdasarkan metode numerik dan referensi literatur.
Mengintegrasikan aspek sustainability, kekuatan mekanis, dan etika engineering.

F. INTRODUCTION

1. Background

Infrastruktur energi di pedesaan pegunungan kerap terhambat oleh keterbatasan debit air dan beda elevasi elevasi sungai. Turbin Crossflow, atau turbin Banki-Michell, diakui sebagai mesin fluida yang paling adaptif untuk rentang head rendah-menengah. Mekanisme operasinya terbilang unik: pancaran air menembus sudu-sudu rotor sebanyak dua kali (aliran dari luar ke dalam, lalu melintasi inner cavity, dan keluar dari dalam ke luar). Secara energi, daya hidraulik teoritis yang tersedia dari aliran air dirumuskan sebagai Ph = ρ·g·Q·H. Untuk Crossflow, daya ini sangat sensitif terhadap pengaturan nozzle dan kecepatan spesifik mesin.

2. Engineering Problem

Berdasarkan latar belakang tersebut, terdapat parameter kunci yang menentukan keberhasilan konversi energi. Permasalahan engineering yang diselesaikan dalam proyek ini meliputi:

Bagaimana menentukan efisiensi konversi daya hidraulik dari debit 0,25 m³/s dan head 10 m?
Bagaimana menentukan putaran (RPM) yang paling optimal?
Bagaimana menghitung rasio diameter luar (D1) dan dalam (D2) rotor?
Bagaimana menentukan lebar runner (B) agar kecepatan fluida terdistribusi merata?
Bagaimana menyusun segitiga kecepatan (velocity triangle) pada inlet pertama?
Bagaimana melakukan iterasi untuk mendapatkan dimensi turbin yang paling tahan terhadap defleksi poros?
Bagaimana memvalidasi bahwa desain ini fisibel dan masuk akal?

3. Initial Thinking

a. Systematic Problem Analysis

Alur konversi sistem pada Pembangkit Mikrohidro dirumuskan sebagai:

Head Sungai → Energi Kinetik Nozzle → Tumbukan Sudu Crossflow → Shaft Power → Generator Listrik.

Setiap tahap memiliki kerugian (losses), sehingga Daya Poros < Daya Turbin < Daya Hidraulik.

b. Problem Decomposition

Masalah utama dibagi menjadi elemen analisis berikut:

Penentuan parameter input lingkungan.
Analisis konversi daya awal.
Geometri Nozzle dan ketebalan pancaran air.
Desain dimensi runner utama.
Pemodelan analitik MATLAB dan visualisasi fluktuasi debit.

c. Fundamental Principles

Berangkat dari core layer analisis turbomachinery (First Principles), penyelesaian dibangun dari:

Conservation of Mass (Continuity): Untuk mendapatkan ketebalan aliran jet dan lebar runner.
Energi Hidraulik: Ph = ρ·g·Q·H
Persamaan Torsi Euler: Energi spesifik yang ditransfer dikendalikan oleh momentum sudut U1·Vu1 – U2·Vu2.

d. Root Cause Analysis

Kegagalan pada banyak PLTMH lokal terjadi akibat turbin Crossflow dipaksakan bekerja di luar batas desain kinematikanya—misalnya ketiadaan ventilasi udara (air vent) yang membuat rongga dalam kehilangan kondisi tekanan atmosfer (P=1 atm), sehingga turbin “banjir” dan efisiensi jatuh drastis. Faktor penyebab kerugian lain adalah defleksi lentur pada poros jika runner dirancang terlalu lebar dibandingkan diameternya.

e. State of the Art

Desain turbin Crossflow konvensional mengandalkan ukuran coba-coba (trial-and-error). Desain komputasional modern menggunakan simulasi CFD (Computational Fluid Dynamics) untuk melihat fenomena splashing dan hambatan aerodinamis di dalam rongga turbin. Mengingat kompleksitas ini, perancangan analitik 1-Dimensi yang ditunjang optimasi rasio geometri menggunakan komputasi MATLAB menjadi jembatan awal (preliminary design) yang tangguh sebelum pabrikasi.

G. METHODS & PROCEDURES

1. Design Input

Analisis dibangun berdasarkan parameter lingkungan tipikal aliran mikrohidro pedesaan.

Parameter	Symbol	Nilai	Unit	Status
Net head	H	10	m	Assumed Design Input
Flow rate	Q	0.25	m³/s	Assumed Design Input
Densitas air	ρ	1000	kg/m³	Standard assumption
Gravitasi	g	9.81	m/s²	Standard
Rotational speed	N	300	rpm	Assumed for iteration
Hydraulic efficiency	ηh	0.85	–	Preliminary assumption
Mechanical efficiency	ηm	0.95	–	Preliminary assumption
Volumetric efficiency	ηv	0.98	–	Preliminary assumption
Nozzle coefficient	Cv	0.98	–	Crossflow empirical
Guide vane angle	α1	16	degree	Crossflow empirical

2. Idealization

Perumusan matematis dibangun di atas asumsi-asumsi ideal berikut:

Asumsi	Alasan	Pengaruh	Keterbatasan
Aliran steady-state inkompresibel	Parameter konstan untuk desain preliminary.	Menyederhanakan kontinuitas debit masuk & keluar.	Tidak menangkap efek transient seperti water hammer.
Penurunan tekanan 100% di nozzle	Karakteristik murni dari turbin impuls.	Tidak ada beda tekanan melintasi sudu turbin.	Rongga turbin harus dijaga selalu 1 atm melalui air vent.
Kontribusi dominan pada stage 1	Transfer energi dari tumbukan tahap 1 mencapai 70-80%.	Evaluasi segitiga kecepatan difokuskan pada jet masuk pertama.	Mengabaikan analisis detail interaksi turbulen di dalam rongga.
Efisiensi dianggap tetap	Menyederhanakan penentuan dimensi awal poros.	Profil kinerja diukur linier terhadap debit.	Di lapangan, efisiensi menurun tajam di bawah beban 20%.

3. Fundamental Equations a. Hydraulic Power & Shaft Power

Ph = ρ·g·Q·H Ps = ηo·Ph (dimana ηo = ηh · ηm · ηv)

b. Dimensi Utama Turbin

Kecepatan jet absolut: V1 = Cv·√(2·g·H) Kecepatan keliling ideal: U1 = 0.48·V1 Diameter luar runner: D1 = (60·U1) / (π·N) Tebal jet masuk: S0 = 0.1·D1 Lebar runner: B = Q / (S0·V1)

4. Instruction (Set) dan Otomatisasi Perhitungan

Tahapan desain diotomatisasi menggunakan MATLAB untuk menghindari human error. Parameter masuk berupa H = 10 m dan Q = 0.25 m3/s pada putaran 300 RPM.

%% BAGIAN 1: INISIALISASI & PERHITUNGAN DASAR TURBIN CROSSFLOW (PEDESAAN)
% 1. Design Input
H = 10; % Net head (m)
Q = 0.25; % Flow rate (m^3/s)
N = 300; % Rotational speed (rpm)
rho = 1000; % Densitas air (kg/m^3)
g = 9.81; % Gravitasi (m/s^2)
% Asumsi Efisiensi & Koefisien
eta_h = 0.85; % Hydraulic eff
eta_m = 0.95; % Mechanical eff
eta_v = 0.98; % Volumetric eff
Cv = 0.98; % Koefisien Nozzle
alpha1_deg = 16; % Guide vane angle absolut

% 2. Perhitungan Daya
eta_o = eta_h * eta_m * eta_v;
Ph_kW = (rho * g * Q * H) / 1000;
Ps_kW = eta_o * Ph_kW;
omega = (2 * pi * N) / 60;

% 3. Perhitungan Dimensi & Kinematika Awal
V1 = Cv * sqrt(2 * g * H); % Kecepatan jet (m/s)
U1 = 0.48 * V1; % Kecepatan keliling ideal
D1 = (60 * U1) / (pi * N); % Diameter luar (m)
D2 = 0.66 * D1; % Diameter dalam (m)
S0 = 0.1 * D1; % Tebal pancaran (m)
B = Q / (S0 * V1); % Lebar runner (m)

5. Design Iteration

%% BAGIAN 5: DESIGN ITERATION (ITERASI DESAIN)
% Tujuan: Mencari nilai putaran (RPM) yang menghasilkan dimensi D1 dan B
% dengan rasio (B/D1) yang proporsional (mendekati 1) agar poros tidak rentan defleksi.

% Parameter tetap dari Design Input
H_iter = 10;
Q_iter = 0.25;
g_iter = 9.81;
Cv_iter = 0.98;

% Kecepatan pancaran absolut & keliling ideal (tetap karena Head tetap)
V1_iter = Cv_iter * sqrt(2 * g_iter * H_iter);
U1_iter = 0.48 * V1_iter;

% Rentang iterasi putaran (N) dari 150 RPM hingga 500 RPM (kelipatan 50)
N_iter = 150:50:500;

% Alokasi array untuk plotting
D1_iter = zeros(1, length(N_iter));
B_iter = zeros(1, length(N_iter));
Ratio_iter = zeros(1, length(N_iter));
Status = strings(1, length(N_iter));

% Loop Iterasi
for i = 1:length(N_iter)
N_val = N_iter(i);

% Hitung Dimensi
D1_val = (60 * U1_iter) / (pi * N_val);
S0_val = 0.1 * D1_val;
B_val = Q_iter / (S0_val * V1_iter);

% Hitung Rasio B / D1
ratio_val = B_val / D1_val;

% Simpan ke array untuk plotting grafik
D1_iter(i) = D1_val;
B_iter(i) = B_val;
Ratio_iter(i) = ratio_val;

% Tentukan kelayakan (Constraint: Rasio B/D1 antara 0.8 hingga 1.5)
if ratio_val >= 0.8 && ratio_val <= 1.5
    Status(i) = "Lolos";
else
    Status(i) = "Tidak Lolos";
end

% Cetak baris tabel
fprintf(' %7d | %7d | %6.3f | %11.3f | %12.2f | %s\n', ...
        i, N_val, D1_val, B_val, ratio_val, Status(i));

end
fprintf(‘————————————————————————-\n\n’);

% Plotting hasil iterasi
figure(6);
plot(N_iter, D1_iter, ‘b-o’, N_iter, B_iter, ‘r-s’, ‘LineWidth’, 2);
title(‘Iterasi Desain: Pengaruh RPM terhadap Diameter (D1) dan Lebar (B)’);
xlabel(‘Kecepatan Putar, N (RPM)’);
ylabel(‘Dimensi (meter)’);
legend(‘Diameter Luar (D1)’, ‘Lebar Runner (B)’, ‘Location’, ‘northeast’);
grid on;

Proses penentuan dimensi memerlukan pemilihan N (RPM) yang tepat. RPM yang terlalu tinggi memperkecil diameter (D1) dan memperlebar turbin (B), yang berisiko pada kegagalan defleksi poros tengah. Target iterasi adalah mendekati aspek rasio D1 : B sekitar 1:1. Hasil komputasi manual/MATLAB menunjukkan bahwa 300 RPM adalah rentang paling optimal untuk profil mesin yang kuat.

6. Error Checking and Validation

Proses validasi dilakukan dengan mengecek kesesuaian satuan metrik (SI), verifikasi konservasi massa (dimana nilai Q dari nozzle sesuai dengan kapasitas tangkapan rongga runner), serta pengujian termodinamika dasar (Pshaft < Phydraulic). Keseluruhan angka di dalam script sudah diverifikasi melalui perhitungan aljabar konvensional.

H. RESULTS AND DISCUSSION

1. Sizing dan Kinematika Desain Final

Eksekusi dari perhitungan analitis menghasilkan geometri turbin yang sangat optimal untuk fabrikasi lokal. Dengan dimensi D1=0,419m dan lebar B=0,435m, rasio profil runner mendekati 1:1. Profil ini secara mekanika struktur sangat kokoh dan efektif mendistribusikan beban torsi merata di sepanjang poros, mencegah defleksi yang kerap mematahkan bantalan (bearing) pada turbin yang terlalu lebar. Kecepatan jet absolut masuk (V1) tercatat 13,73 m/s. Dengan memasukkan sudut katup pengarah (α1 = 16°), penguraian Euler Triangle membuktikan bahwa vektor aliran menabrak kelengkungan sudu secara tangent.

2. Velocity Triangle Results

Tabel Parameter Segitiga Kecepatan (Velocity Triangle)

Parameter	Simbol	Inlet Tahap 1 (Masuk)	Outlet Tahap 2 (Keluar)	Unit	Keterangan
Kecepatan Absolut	V	13.73	3.78	m/s	V1 berasal dari nozzle, V2 idealnya sisa energi vertikal terendah.
Kecepatan Keliling	U	6.59	6.59	m/s	Kecepatan tangensial di diameter luar (D1).
Kecepatan Pendorong	Vu	13.19	~ 0.00	m/s	Vu1 memutar poros, Vu2 diasumsikan nol (0) untuk efisiensi maksimum.
Kecepatan Meridional	Vr / Vf	3.78	3.78	m/s	Kecepatan aliran tembus melintasi sudu.
Kecepatan Relatif	W	7.60	7.60	m/s	Kecepatan air relatif terhadap sudu yang berputar.
Sudut Pancar/Aliran	α (Alpha)	16°	90°	degree	Air masuk 16°, air keluar diasumsikan tegak lurus (jatuh).
Sudut Sudu	β (Beta)	30°	30°	degree	Sudut geometri sudu yang difabrikasi.

Komponen pendorong turbin (Vu1) yang sangat tinggi (13.19 m/s dari 13.73 m/s) mengonfirmasi sifat turbin ini sebagai mesin impuls sejati.

3. Visualisasi Kurva Kinerja

Karakteristik kinerja diuji secara komputasional terhadap fluktuasi debit air (fenomena umum sungai saat kemarau/hujan) dan variasi RPM.

%% BAGIAN 2: PLOTTING GRAFIK KINERJA
Q_range = 0.1:0.05:0.4; % Fluktuasi debit m^3/s
Ph_range = (rho .* g .* Q_range .* H) ./ 1000;
Ps_range = eta_o .* Ph_range;

figure(1);
plot(Q_range, Ph_range, ‘b-o’, Q_range, Ps_range, ‘r-s’, ‘LineWidth’, 2);
title(‘Grafik Performa: Daya vs Debit Air (Head = 10m)’);
xlabel(‘Debit Air (m^3/s)’); ylabel(‘Daya (kW)’);
legend(‘Daya Hidraulik (P_h)’, ‘Daya Poros (P_s)’, ‘Location’, ‘northwest’);
grid on;

Interpretasi Fisik: Kurva Daya vs Debit menunjukkan linearitas positif. Karena menggunakan katup pengarah yang adjustable, turbin Crossflow dapat menahan efisiensi tetap tinggi meski debit turun hingga 0,1 m³/s (daya menyesuaikan menjadi 7,8 kW). Hal ini membuktikan keandalan sistem saat beroperasi di musim kemarau.

%% BAGIAN 3: PLOTTING GRAFIK TORSI VS DEBIT
% Omega sudah dihitung sebelumnya: omega = (2 * pi * N) / 60;
% Ps_range dalam kW, sehingga dikalikan 1000 untuk menjadi Watt

T_range = (Ps_range .* 1000) ./ omega; % Torsi (N.m)

figure(2);
plot(Q_range, T_range, ‘m-^’, ‘LineWidth’, 2);
title(‘Grafik Performa: Torsi vs Debit Air (Head = 10m, N = 300 RPM)’);
xlabel(‘Debit Air (m^3/s)’);
ylabel(‘Torsi Poros (N.m)’);
grid on;

Hubungan Torsi vs Debit Air: Torsi poros (Ts = Ps / ω) menunjukkan hubungan yang linier positif terhadap fluktuasi debit air. Pada putaran konstan 300 RPM, peningkatan debit air yang menabrak sudu akan secara langsung memperbesar gaya dorong (F) pada radius turbin, sehingga menghasilkan torsi mekanik yang lebih besar untuk memutar beban generator.

4. Performance Analysis

Hydraulic Power: 24.52 kW merupakan batas potensial maksimal alam dari aliran 0,25 m³/s pada beda ketinggian 10 m.
Overall Efficiency: Evaluasi efisiensi total alat (hidraulik, volumetrik, dan mekanis) bernilai 79,13%. Ini realistis untuk kelas Crossflow lokal yang rentang normalnya berkisar 75-82%.
Shaft Power (Actual): Terkalkulasi sebesar 19.41 kW. Nilai ini menjadi energi mekanis final yang akan memutar generator, sudah memperhitungkan energi yang terbuang akibat percikan, gesekan bantalan, dan kebocoran sisi (side clearance leakage).

5. Sensitivity Analysis

%% BAGIAN 4: ANALISIS SENSITIVITAS (SENSITIVITY ANALYSIS)
% Pastikan variabel dasar dari Bagian 1 sudah dijalankan sebelumnya.
% Simpan nilai desain dasar (Design Point)
H_base = 10; % Head nominal (m)
Q_base = 0.25; % Debit nominal (m^3/s)
eta_h_base = 0.85; % Asumsi efisiensi hidraulik nominal (85%)

% ———————————————————
% 1. SENSITIVITAS TERHADAP HYDRAULIC EFFICIENCY (eta_h)
% ———————————————————
eta_h_range = 0.70:0.02:0.95; % Variasi efisiensi hidraulik dari 70% hingga 95%
Ps_eta_h = (eta_h_range .* eta_m .* eta_v) .* (rho * g * Q_base * H_base) / 1000;

figure(3);
plot(eta_h_range * 100, Ps_eta_h, ‘g-o’, ‘LineWidth’, 2);
title(‘Sensitivitas Daya Poros terhadap Efisiensi Hidraulik (Head 10m, Q 0.25 m^3/s)’);
xlabel(‘Efisiensi Hidraulik (%)’);
ylabel(‘Daya Poros (kW)’);
grid on;

% ———————————————————
% 2. SENSITIVITAS TERHADAP NET HEAD (H)
% ———————————————————
H_range = 5:1:15; % Variasi head dari 5 m hingga 15 m
Ps_H = (eta_h_base * eta_m * eta_v) .* (rho * g * Q_base .* H_range) / 1000;

figure(4);
plot(H_range, Ps_H, ‘b-s’, ‘LineWidth’, 2);
title(‘Sensitivitas Daya Poros terhadap Net Head (Q 0.25 m^3/s, \eta_h 85%)’);
xlabel(‘Net Head (m)’);
ylabel(‘Daya Poros (kW)’);
grid on;

% ———————————————————
% 3. SENSITIVITAS TERHADAP FLOW RATE (Q)
% ———————————————————
Q_sens_range = 0.1:0.05:0.4; % Variasi debit dari 0.1 hingga 0.4 m^3/s
Ps_Q = (eta_h_base * eta_m * eta_v) .* (rho * g .* Q_sens_range * H_base) / 1000;

figure(5);
plot(Q_sens_range, Ps_Q, ‘r-^’, ‘LineWidth’, 2);
title(‘Sensitivitas Daya Poros terhadap Debit Air (Head 10m, \eta_h 85%)’);
xlabel(‘Debit Air (m^3/s)’);
ylabel(‘Daya Poros (kW)’);
grid on;

Sensitivitas Daya poros terhadap Efisiensi Hidrolik

Analisis ini menggunakan asumsi Head = 10 m dan Q = 0,25 m³/s secara konstan.

Efisiensi Hidraulik (ηh)	Daya Poros (Ps)
75%	17.12 kW
80%	18.27 kW
85% (Design Point)	19.41 kW
90%	20.55 kW
95%	21.69 kW

Sensitivitas Daya Poros terhadap Net Head

Analisis ini menggunakan asumsi Debit Q = 0,25 m³/s dan Efisiensi Hidraulik = 85% secara konstan.

Net Head (H)	Daya Poros (Ps)
6 m	11.64 kW
8 m	15.53 kW
10 m (Design Point)	19.41 kW
12 m	23.29 kW
14 m	27.17 kW

Sensitivitas Daya Poros terhadap Debit Air

Turbin beroperasi dalam fluktuasi lingkungan. Berikut merupakan analisis sensitivitas Daya Poros (Ps) terhadap variasi debit masuk (saat efisiensi konstan).

Debit Air (Q)	Shaft Power (Ps)	Status Lingkungan
0.10 m³/s	7.76 kW	Kemarau ekstrem
0.15 m³/s	11.64 kW	Kemarau biasa
0.25 m³/s	19.41 kW	Design Point
0.35 m³/s	27.17 kW	Musim hujan

6. Limitations

Dalam spirit perancangan yang transparan, limitasi permodelan ini antara lain:

Analisis 1-Dimensi: Formulasi masih mengasumsikan aliran stasioner, belum mampu menangkap distribusi medan tekanan 3-Dimensi secara spesifik.
Ketiadaan CFD: Simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) belum disertakan, sehingga visualisasi percikan silang dan efek air sisa (residual water) di dalam rongga turbin belum terefleksi dalam analisis losses.
Stress Analysis: Evaluasi ketahanan poros utama dan las-lasan sudu (fatigue analysis) terhadap tumbukan impuls jet belum disimulasikan. Makalah ini merupakan fase preliminary kinematic design.

I. CONCLUSION, CLOSING REMARKS, RECOMMENDATIONS

Conclusion

Berdasarkan pendekatan idealisasi metodologi DAI5, desain turbin impuls Crossflow untuk aplikasi mikrohidro pedesaan (H=10m, Q=0,25m3/s) terbukti sangat feasible. Desain berputar pada 300 RPM menghasilkan shaft power aktual sebesar 19,41 kW. Dimensi luar 41,9 cm dan lebar 43,5 cm memastikan kemudahan fabrikasi lokal dengan kekuatan struktur yang tinggi, membebaskan masyarakat desa dari keharusan merawat sudu asimetris kompleks. Pembangkit ini diperkirakan mampu melistriki kurang lebih 40 rumah warga dengan daya standar.

Recommendations Diperlukan validasi komputasi dinamika fluida (CFD) untuk menganalisis efek tumbukan air kotor pada sudu, serta investigasi pemilihan material plat baja (stainless SUS304 vs Carbon Steel) terhadap laju abrasi sedimentasi sungai.

Closing Remarks Turbomachinery adalah bukti nyata bahwa keteraturan hukum fisika (First Principles) dapat diekstraksi demi kebermanfaatan umat manusia. Perancangan turbin ini merepresentasikan keseimbangan antara ketajaman analisis engineering murni dan kesadaran holistik atas tanggung jawab insinyur terhadap kemandirian energi masyarakat terpencil.

J. ACKNOWLEDGMENTS

Rasa syukur diucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas anugerah rasio logis dalam merampungkan perancangan turbin ini. Terima kasih kepada dosen pembimbing SKE serta seluruh literatur terbuka yang mendorong lahirnya solusi desain pro-keberlanjutan sosial.

K. REFERENCES / LITERATURE CITED

Çengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2020). Fluid mechanics: Fundamentals and applications (4th ed., SI units). McGraw-Hill Education.

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

Dwiyanto, V., Kusumastuti, D. I., & Tugiono, S. (2016). Analisis Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Studi Kasus: Sungai Air Anak (Hulu Sungai Way Besai). Jurnal Rekayasa Sipil dan Desain (JRSDD), 4(3), 407-422.

Khosrowpanah, S., Fiuzat, A. A., & Albertson, M. L. (1988). Experimental study of cross-flow turbine. Journal of Hydraulic Engineering, 114(3), 299-314.

Putra, I. G. W., Weking, A. I., & Jasa, L. (2018). Analisa Pengaruh Tekanan Air Terhadap Kinerja PLTMH dengan Menggunakan Turbin Archimedes Screw. Majalah Ilmiah Teknologi Elektro, 17(3), 385-392.

Sinagra, M., Sammartano, V., Aricò, C., Collura, A., & Tucciarelli, T. (2014). Cross-Flow turbine design for variable operating conditions. Procedia Engineering, 70, 1539-1548.

Sofyan, M., & Sudana, I. M. (2022). Analisis potensi pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) berdasarkan debit air dan kebutuhan energi listrik. Jurnal Listrik, Instrumentasi, dan Elektronika Terapan (JuLIET), 3(2), 31-38.

Sukamta, S., & Kusmantoro, A. (2013). Perencanaan pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) Jantur Tabalas Kalimantan Timur. Jurnal Teknik Elektro Unnes, 5(2), 133843.

L. APPENDICES Appendix A — Detailed Manual Calculations

Hydraulic Power: Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.25·10 = 24,525 W = 24.52 kW
Overall Efficiency: ηo = 0.85·0.95·0.98 = 0.79135 (79.135%)
Shaft Power: Ps = Ph·ηo = 24.525·0.79135 = 19.41 kW
Kinematics & Dimension (at N = 300 rpm): V1 = 0.98·√(2·9.81·10) = 13.73 m/s U1 = 0.48·13.73 = 6.59 m/s D1 = (60·6.59) / (π·300) = 0.419 m (41.9 cm) D2 = 0.66·0.419 = 0.277 m (27.7 cm) S0 = 0.1·0.419 = 0.0419 m B = 0.25 / (0.0419·13.73) = 0.435 m (43.5 cm)
Kecepatan Sudut (Angular Velocity): ω = (2·π·N) / 60 = (2 · 3.1416 · 300) / 60 = 31.42 rad/s
Torsi Poros (Shaft Torque): Ts = (Ps · 1000) / ω = (19.41 · 1000) / 31.42 = 617.76 N·m
Segitiga Kecepatan Inlet (Tahap 1): Berdasarkan parameter empiris α1 = 16° dan perhitungan V1 = 13.73 m/s serta U1 = 6.59 m/s. Kecepatan Pendorong (Tangensial): Vu1 = V1 · cos(α1) = 13.73 · cos(16°) = 13.19 m/s Kecepatan Meridional (Radial): Vr1 = V1 · sin(α1) = 13.73 · sin(16°) = 3.78 m/s Kecepatan Relatif (W1): W1 = √((Vu1 – U1)² + Vr1²) = √((13.19 – 6.59)² + 3.78²) = 7.60 m/s Sudut Sudu Masuk (β1): β1 = atan(Vr1 / (Vu1 – U1)) = atan(3.78 / 6.60) = 29.7° ≈ 30°
Segitiga Kecepatan Outlet (Tahap 2 – Asumsi Ideal): Dengan asumsi aliran keluar tegak lurus untuk meminimalkan sisa energi kinetik (Vu2 = 0) dan kesinambungan aliran (Vr2 = Vr1). Kecepatan Pendorong Keluar: Vu2 = 0 m/s Kecepatan Absolut Keluar: V2 = Vr2 = 3.78 m/s Sudut Aliran Keluar (α2): 90° (karena jatuh tegak lurus) Kecepatan Relatif Keluar (W2): W2 = √(U2² + Vr2²) = √(6.59² + 3.78²) = 7.60 m/s Sudut Sudu Keluar (β2): β2 = atan(Vr2 / U2) = atan(3.78 / 6.59) = 29.8° ≈ 30°

Appendix B — DAI5 Evaluation Matrix

No.	Kriteria DAI5	Implementasi dalam Laporan Turbin Crossflow
1	Consciousness of Purpose	Bagian E.1 (Deep Awareness) – Kesadaran akan hukum fisika sebagai ketetapan Tuhan
2	Self-awareness	Bagian E.1 – Refleksi tanggung jawab insinyur terhadap kelestarian ekosistem sungai
3	Ethical Considerations	Bagian E.1 – Kejujuran menyajikan asumsi dan tidak memanipulasi rentang efisiensi desain
4	Integration of CCIT	Bagian E.1 – Implementasi Cara Cerdas Ingat Tuhan dalam niat kebermanfaatan jangka panjang
5	Critical Reflection	Bagian H.6 (Limitations) – Pengakuan batas model 1D, asumsi tunak, dan ketiadaan CFD
6	Continuum of Awareness	Bagian I (Closing Remarks) – Keseimbangan analisis teknis murni & kesadaran sosial energi
7	Clarity of Intent	Bagian E.2 (Intention) – Poin-poin spesifik tujuan perancangan dan solusi elektrifikasi off-grid
8	Alignment of Objectives	Keselarasan antara Abstract, Intention (E.2), dan penyelesaian menggunakan MATLAB (G.4)
9	Relevance of Intent	Bagian H.1 – Geometri turbin dirancang khusus untuk kemudahan fasilitas bengkel lokal
10	Sustainability Focus	Aplikasi untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) yang renewable dan ramah lingkungan
11	Focus on Quality	Bagian G.6 (Error Checking) – Pengecekan konsistensi daya teoritis vs aktual
12	Problem Understanding	Bagian F.2 (Engineering Problem) – Pemecahan masalah spesifik debit rendah & head 10 m
13	Stakeholder Awareness	Berorientasi pada masyarakat desa (skala mikrohidro ±40 rumah) dan kemudahan maintenance
14	Contextual Analysis	Bagian F.3 (Systematic Problem Analysis) – Mempertimbangkan ketiadaan ventilasi udara (air vent)
15	Root Cause Analysis	Bagian F.3.d (Root Cause Analysis) – Analisis penyebab efisiensi anjlok akibat sudu “banjir”
16	Relevance of Analysis	Bagian H.3 & H.5 – Evaluasi parameter kinerja aktual vs fluktuasi debit musim kemarau
17	Use of Data and Evidence	Penggunaan parameter α1 = 16° dari studi empiris Banki-Michell klasik
18	Assumption Clarity	Bagian G.1 (Design Input) & G.2 (Idealization) – Tabel asumsi operasional & idealisasi gas/fluida
19	Creativity and Innovation	Bagian G.4 – Otomatisasi perhitungan numerik matriks kinerja menggunakan skrip MATLAB
20	Physical Realism	Bagian H.1 – Proporsi rasio D/B mendekati 1:1 untuk mencegah defleksi poros dan menjaga kekakuan statis
21	Alignment with Intent	Dimensi akhir yang dihasilkan sangat aplikatif untuk teknik manufaktur menengah (D=41,9 cm)
22	Scalability and Adaptability	Bagian G.5 (Design Iteration) – Penyesuaian nilai parameter kecepatan RPM mencari rasio dimensi solid
23	Simplicity and Elegance	Reduksi dinamika fluida kompleks ke kerangka 1D termodinamika First Principles
24	Clarity of Steps	Susunan runut metode mulai dari perumusan awal, idealisasi, matematika dasar hingga implementasi komputasi
25	Comprehensiveness	Penggabungan narasi rekayasa (A-I), kode perhitungan komputasi, dan rekap manual numerik
26	Physical Interpretation	Bagian H.3 (Interpretasi Fisik) – Pemaknaan realitas fisik dari tren grafik daya hidraulik dan poros
27	Error Minimization	Inspeksi ulang (validasi) terhadap unit metrik perhitungan manual (Lampiran A) vs algoritma di MATLAB
28	Verification and Validation	Komparasi perhitungan limit daya fisika bahwa energi tidak diciptakan (Ph > Ps)
29	Iterative Approach	Mencari rasio geometri aman dan efisiensi melalui uji putaran 300 RPM
30	Sustainability Integration	Rekomendasi tambahan kajian tingkat korosi dan sifat mekanik pelat SUS304 di Bagian Recommendations
31	Communication Effectiveness	Optimalisasi format tabel dan penjelasan terstruktur parameter analisis velocity triangle
32	Alignment with DAI5	Kesesuaian menyeluruh dengan struktur baku laporan 15 bab (A-L) kerangka evaluasi Sistem Konversi Energi
33	Documentation Quality	Pelengkapan bab Daftar Pustaka dan Lampiran secara komprehensif

Appendix C — Final Design Summary

Parameter	Final Value	Unit
Head	10	m
Flow rate	0.25	m³/s
Rotational speed	300	rpm
Hydraulic power	24.52	kW
Overall efficiency	79.13	%
Shaft power	19.41	kW
Runner outer diameter (D1)	0.419	m
Runner inner diameter (D2)	0.277	m
Runner width (B)	0.435	m
Inlet jet absolute velocity	13.73	m/s
Design status	Preliminary design – feasible under stated assumptions

Sekian Laporan saya mengenai turbin crossflow yang Insya Allah berguna dalam mempelajari sistem konversi energi. Mohon maaf apabila ada kesalahan penulisan maupun perhitungan.

وَالسَّلَامُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللَّهِ وَبَرَكَاتُهُ

ccitonline.com

Quick Links