Adam Malik (2406429102) — SKE 02

بِسْمِ اللَّهِ الرَّحْمَنِ الرَّحِيمِ

السَّلَامُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللَّهِ وَبَرَكَاتُهُ

Perkenalkan, nama saya Adam Malik, mahasiswa Fakultas Teknik, Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia dengan NPM 2406429102. Pada blog ini saya akan membahas laporan saya mengenai PERANCANGAN DAN ANALISIS TURBIN PELTON SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK MIKROHIDRO UNTUK MASYARAKAT DI DAERAH PEGUNUNGAN sebagai bagian dari pemenuhan tugas besar mata kuliah Sistem Konversi Energi (SKE).

PERANCANGAN DAN ANALISIS TURBIN PELTON SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK MIKROHIDRO UNTUK MASYARAKAT DI DAERAH PEGUNUNGAN

A. PROJECT TITLE

PERANCANGAN DAN ANALISIS TURBIN PELTON SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK MIKROHIDRO UNTUK MASYARAKAT DI DAERAH PEGUNUNGAN

B. AUTHOR COMPLETE NAME

Nama Lengkap: Adam Malik
NPM: 2406429102

C. AFFILIATION

Program Studi: Teknik Mesin
Departemen: Teknik Mesin
Fakultas: Teknik
Universitas: Universitas Indonesia

D. ABSTRACT

Daerah pegunungan memiliki potensi energi air yang cukup besar karena adanya perbedaan elevasi yang menghasilkan head relatif tinggi. Namun, ketersediaan debit air pada daerah tersebut dapat relatif kecil sehingga diperlukan pemilihan turbin yang sesuai dengan karakteristik sumber daya air. Salah satu turbin yang sesuai untuk kondisi tersebut adalah turbin Pelton, yaitu turbin impuls yang memanfaatkan energi potensial air untuk menghasilkan jet berkecepatan tinggi yang kemudian diarahkan menuju bucket pada runner.

Proyek ini bertujuan melakukan preliminary engineering design dan analisis performa turbin Pelton sebagai pembangkit listrik mikrohidro untuk daerah pegunungan. Perancangan dilakukan menggunakan pendekatan konservasi massa, konservasi energi, konservasi momentum, serta prinsip turbomachinery. Parameter desain utama yang digunakan berupa head bersih 100 m, debit 0,05 m³/s, kecepatan putar 1000 rpm, koefisien kecepatan nozzle 0,98, dan speed ratio 0,46. Seluruh nilai tersebut merupakan assumed design input karena data lapangan aktual belum tersedia.

Berdasarkan hasil perhitungan, energi hidrolik yang tersedia dari aliran air adalah sekitar 49,05 kW. Kecepatan jet yang dihasilkan nozzle sekitar 43,41 m/s dengan diameter jet sekitar 0,0383 m. Kecepatan tangensial runner yang dirancang sebesar 19,97 m/s sehingga diperoleh diameter runner sekitar 0,381 m pada kecepatan 1000 rpm. Berdasarkan analisis momentum, daya mekanik runner sekitar 42,62 kW. Setelah memperhitungkan efisiensi mekanik dan generator, daya listrik yang diperkirakan dapat dihasilkan sekitar 37,25 kW dengan efisiensi keseluruhan sekitar 75,94%.

Hasil preliminary design menunjukkan bahwa konfigurasi turbin Pelton sesuai untuk aplikasi high-head dan low-flow. Meskipun demikian, hasil tersebut belum dapat dianggap sebagai performa aktual karena desain belum melalui CFD, pengujian eksperimental, analisis struktur, maupun pengujian prototipe. Oleh karena itu, desain ini lebih tepat digunakan sebagai tahap awal engineering design yang masih memerlukan optimasi dan validasi lebih lanjut.

Kata kunci: Turbin Pelton, mikrohidro, head, debit, hydraulic power, jet velocity, runner, efisiensi.

E. AUTHOR DECLARATION

1. Deep Awareness (of) I

Dalam proses perancangan turbin Pelton ini, saya menyadari bahwa kegiatan engineering tidak hanya berkaitan dengan memperoleh hasil perhitungan, tetapi juga bagaimana ilmu tersebut digunakan secara bertanggung jawab. Setiap persamaan yang digunakan dalam perancangan memiliki dasar fisika yang harus dipahami dan tidak boleh hanya digunakan untuk menghasilkan angka.

Saya menyadari bahwa terdapat keterbatasan dalam kemampuan saya sebagai mahasiswa, terutama karena desain yang dilakukan masih berupa preliminary engineering design. Oleh karena itu, asumsi yang digunakan harus dinyatakan secara terbuka dan tidak boleh dianggap sebagai data lapangan yang sebenarnya.

Dalam proses ini, kejujuran terhadap data menjadi bagian penting. Saya tidak menggunakan data eksperimen yang tidak tersedia dan tidak memanipulasi hasil agar terlihat sempurna. Nilai yang digunakan dalam perancangan dinyatakan sebagai asumsi desain, sedangkan hasil perhitungan diperoleh berdasarkan persamaan fisika yang digunakan.

Selain aspek teknis, perancangan juga mempertimbangkan keselamatan, efisiensi energi, keberlanjutan sumber daya air, dan manfaat teknologi bagi masyarakat. Pembangkit mikrohidro tidak hanya dipandang sebagai sistem untuk menghasilkan listrik, tetapi juga sebagai salah satu bentuk pemanfaatan sumber energi terbarukan yang dapat membantu masyarakat di daerah terpencil.

Dengan pendekatan DAI5, proses engineering diarahkan tidak hanya untuk menghasilkan suatu desain, tetapi juga untuk memahami tujuan, keterbatasan, serta dampak dari desain tersebut.

2. Intention of the Project Activity

Niat utama dari proyek ini adalah memahami bagaimana energi potensial air dapat dikonversi menjadi energi mekanik dan kemudian menjadi energi listrik melalui turbin Pelton.

Secara teknis, tujuan proyek ini adalah:

Memahami prinsip kerja turbin Pelton.
Menentukan karakteristik sumber energi air berdasarkan head dan debit.
Menghitung hydraulic power yang tersedia.
Menentukan kecepatan jet dari nozzle.
Menentukan luas penampang nozzle.
Menentukan diameter jet.
Menentukan kecepatan runner.
Menentukan diameter runner.
Menentukan jumlah bucket.
Menganalisis velocity triangle turbin.
Menghitung perubahan momentum air.
Menghitung gaya tangensial pada runner.
Menghitung torque turbin.
Menghitung daya mekanik runner.
Menghitung shaft power.
Menghitung daya listrik keluaran.
Menghitung efisiensi sistem.
Menentukan specific speed.
Melakukan sensitivity analysis.
Melakukan verification dan validation terhadap hasil desain.

Tujuan akhirnya adalah menghasilkan preliminary design turbin Pelton yang secara matematis dan fisik masuk akal untuk aplikasi mikrohidro di daerah pegunungan.

F. INTRODUCTION

1. Background

Energi merupakan salah satu kebutuhan utama dalam kehidupan masyarakat modern. Ketersediaan energi listrik sangat berpengaruh terhadap aktivitas rumah tangga, pendidikan, komunikasi, industri kecil, dan berbagai aktivitas ekonomi. Namun, tidak semua daerah memiliki akses listrik yang sama, terutama wilayah terpencil yang memiliki kondisi geografis sulit.

Salah satu solusi yang dapat digunakan adalah pemanfaatan energi terbarukan. Energi air merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang memiliki keunggulan karena dapat dimanfaatkan secara kontinu selama sumber air tersedia.

Daerah pegunungan memiliki karakteristik yang menarik untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Perbedaan elevasi antara sumber air dan lokasi turbin menghasilkan head yang dapat dikonversikan menjadi energi kinetik melalui nozzle.

Salah satu jenis turbin yang sesuai dengan kondisi tersebut adalah turbin Pelton. Turbin Pelton termasuk turbin impuls. Berbeda dengan turbin reaksi seperti Francis dan Kaplan, tekanan air terutama dikonversikan menjadi kecepatan melalui nozzle sebelum air mengenai runner.

Karakteristik tersebut menyebabkan Pelton sangat sesuai untuk kondisi high-head dan low-flow. Sumber engineering mikrohidro juga menempatkan Pelton sebagai salah satu pilihan utama untuk kondisi head tinggi dengan debit relatif rendah.

Pada sistem yang dirancang, aliran energi dapat digambarkan sebagai:

Hydraulic Head → Penstock → Nozzle → Water Jet → Pelton Bucket → Runner → Shaft → Generator → Electrical Output

Setiap tahapan memiliki losses sehingga daya listrik yang dihasilkan selalu lebih kecil dibandingkan hydraulic power yang tersedia.

2. Engineering Problem

Permasalahan engineering yang dianalisis dalam proyek ini adalah:

Bagaimana menentukan hydraulic power berdasarkan head dan debit?
Bagaimana menentukan kecepatan jet?
Bagaimana menentukan diameter nozzle?
Bagaimana menentukan kecepatan runner?
Bagaimana menentukan diameter runner?
Bagaimana menentukan jumlah bucket?
Bagaimana menentukan parameter velocity triangle?
Bagaimana menentukan gaya akibat perubahan momentum air?
Bagaimana menentukan torque runner?
Bagaimana menentukan shaft power?
Bagaimana menentukan daya listrik?
Bagaimana menentukan efisiensi sistem?
Bagaimana menentukan specific speed?
Bagaimana pengaruh perubahan head terhadap performa?
Bagaimana pengaruh perubahan debit terhadap performa?
Bagaimana pengaruh rotational speed terhadap diameter runner?
Bagaimana pengaruh speed ratio terhadap hydraulic efficiency?
Apakah hasil preliminary design masih berada pada range yang masuk akal?
Apa saja sumber losses utama?
Apa yang perlu dilakukan untuk mengembangkan desain menjadi desain detail?

3. Initial Thinking (about the Problem)

a. Systematic Problem Analysis

Sistem pembangkit yang dianalisis terdiri dari beberapa komponen utama:

Reservoir/Water Source → Penstock → Nozzle → Pelton Runner → Shaft → Generator → Electrical Load

Air yang berada pada elevasi tinggi memiliki energi potensial gravitasi. Ketika air mengalir melalui penstock, sebagian energi potensial berubah menjadi energi kinetik. Nozzle kemudian mengubah energi tekanan menjadi jet berkecepatan tinggi.

Jet tersebut diarahkan menuju bucket Pelton. Ketika jet mengenai bucket, arah aliran air berubah secara signifikan. Perubahan momentum tersebut menghasilkan gaya tangensial yang memutar runner.

Putaran runner diteruskan melalui shaft menuju generator. Generator kemudian mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Dengan demikian, aliran energi dapat dituliskan sebagai:

Potential Energy → Kinetic Energy → Momentum Transfer → Mechanical Energy → Electrical Energy

b. Problem Decomposition

Permasalahan dibagi menjadi beberapa tahap:

Design input.
Hydraulic analysis.
Jet velocity analysis.
Nozzle sizing.
Runner sizing.
Bucket analysis.
Speed analysis.
Torque analysis.
Power analysis.
Efficiency analysis.
Specific speed.
MATLAB simulation.
Sensitivity analysis.
Verification.
Validation.
Engineering discussion.

c. Fundamental Principles

Conservation of Mass

Untuk aliran steady:

Q = A V

dengan:

Q = debit air (m³/s)
A = luas penampang aliran (m²)
V = kecepatan aliran (m/s)

Persamaan ini digunakan untuk menentukan diameter jet berdasarkan debit dan kecepatan jet.

Hydraulic Power

Energi hidrolik teoritis yang tersedia dihitung menggunakan:

Pₕ = ρ g Q H

Dengan:

ρ = 1000 kg/m³
g = 9,81 m/s²
Q = 0,05 m³/s
H = 100 m

Jet Velocity

Kecepatan jet dapat dihitung dengan:

Vⱼ = Cᵥ √(2gH)

Koefisien kecepatan digunakan untuk memperhitungkan bahwa nozzle tidak sepenuhnya ideal.

Nozzle Area

Luas penampang jet:

Aⱼ = Q / Vⱼ

Kemudian diameter jet:

dⱼ = √(4Aⱼ / π)

Bucket Speed

Kecepatan bucket dinyatakan melalui speed ratio:

φ = u / Vⱼ

sehingga:

u = φ Vⱼ

Untuk desain ini digunakan:

φ = 0,46

Nilai speed ratio sekitar 0,44–0,46 umum digunakan dalam analisis awal turbin Pelton.

Runner Diameter

Hubungan antara kecepatan tangensial, diameter runner, dan rotational speed:

u = πDN / 60

sehingga:

D = 60u / πN

Momentum Analysis

Gaya tangensial diperoleh dari perubahan momentum:

Fₜ = ṁ(Vw₁ − Vw₂)

dengan:

ṁ = ρQ

Daya runner:

Pᵣ = Fₜu

Torque

Torque dapat diperoleh dari:

T = P / ω

dengan:

ω = 2πN / 60

Shaft Power

Setelah memperhitungkan mechanical efficiency:

Pₛ = ηₘ Pᵣ

Electrical Power

Daya listrik:

Pₑ = ηg Pₛ

Overall Efficiency

Efisiensi keseluruhan:

ηₒ = Pₑ / Pₕ

d. Root Cause Analysis

Performa turbin dapat lebih rendah dibandingkan kondisi ideal karena beberapa faktor.

1. Penstock Loss

Gesekan sepanjang penstock menyebabkan sebagian head hilang sebelum air mencapai nozzle.

2. Nozzle Loss

Nozzle tidak dapat mengubah seluruh energi tekanan menjadi energi kinetik secara sempurna. Hal ini direpresentasikan oleh koefisien kecepatan Cᵥ.

3. Bucket Loss

Permukaan bucket menyebabkan friction dan turbulence sehingga kecepatan relatif air berkurang.

4. Splash Loss

Tidak seluruh air dapat masuk dan keluar dari bucket dengan kondisi ideal.

5. Mechanical Loss

Bearing, seal, shaft, dan komponen mekanik menghasilkan losses.

6. Generator Loss

Generator juga memiliki losses listrik dan mekanik.

7. Speed Ratio

Jika runner terlalu lambat atau terlalu cepat dibandingkan jet, transfer momentum menjadi tidak optimal.

8. Bucket Geometry

Geometri bucket yang tidak tepat dapat menyebabkan perubahan arah aliran tidak maksimal.

9. Misalignment

Ketidaktepatan posisi nozzle terhadap runner dapat menyebabkan jet tidak mengenai splitter secara tepat.

10. Erosion

Partikel pasir atau sedimen dalam air dapat menyebabkan erosion pada nozzle dan bucket.

e. State of the Art

Teknologi Pelton modern berkembang dari desain sederhana menjadi sistem yang lebih teroptimasi. Beberapa perkembangan yang relevan antara lain:

Optimasi bentuk bucket.
CFD untuk mempelajari aliran tiga dimensi.
Optimasi nozzle.
Multi-jet Pelton.
Variable-speed operation.
Analisis erosion.
Computational optimization.
Penggunaan material tahan abrasi.
Integrasi generator permanent magnet.
Sistem kontrol berbasis elektronik.

Pada tahap preliminary engineering design mahasiswa, analisis belum sampai pada CFD atau optimasi tiga dimensi. Oleh karena itu, pendekatan yang digunakan masih berupa model satu dimensi dan hubungan empiris.

G. METHODS & PROCEDURES

1. Design Input

Data yang digunakan dalam perancangan ditampilkan pada tabel berikut.

Parameter	Simbol	Nilai	Unit	Status
Gross head	H₍g₎	110	m	Assumed
Estimated head loss	Hₗ	10	m	Assumed
Net head	H	100	m	Calculated
Flow rate	Q	0,05	m³/s	Assumed
Water density	ρ	1000	kg/m³	Standard
Gravity	g	9,81	m/s²	Standard
Rotational speed	N	1000	rpm	Assumed
Velocity coefficient	Cᵥ	0,98	–	Assumed
Speed ratio	φ	0,46	–	Assumed
Relative velocity factor	k	0,85	–	Assumed
Bucket outlet angle	β	15	°	Assumed
Mechanical efficiency	ηₘ	0,95	–	Assumed
Generator efficiency	ηg	0,92	–	Assumed

Gross head diasumsikan sebesar 110 m. Dengan estimated head loss sebesar 10 m, maka net head yang digunakan dalam analisis adalah 100 m.

H = H₍g₎ − Hₗ

H = 110 − 10

H = 100 m

Seluruh nilai yang berstatus “Assumed” harus diganti dengan data lapangan apabila desain ini dikembangkan menjadi desain aktual.

2. IDEALIZATION

Asumsi	Alasan	Pengaruh	Keterbatasan
Air incompressible	Perubahan densitas kecil	Persamaan lebih sederhana	Tidak memperhitungkan compressibility
Steady flow	Mempermudah analisis	Tidak ada transient	Tidak mewakili perubahan debit cepat
One-dimensional	Preliminary design	Perhitungan sederhana	Tidak menangkap aliran 3D
ρ konstan	Perubahan temperatur kecil	Perhitungan lebih mudah	Tidak mempertimbangkan perubahan temperatur
Jet seragam	Model ideal	Mempermudah momentum analysis	Profil jet aktual berbeda
Cᵥ konstan	Parameter awal nozzle	Mempermudah desain	Nilai aktual bergantung geometri
k konstan	Model bucket	Mempermudah outlet analysis	Tidak menangkap losses detail
Tidak menggunakan CFD	Preliminary design	Waktu komputasi rendah	Detail flow field tidak terlihat
Tidak menggunakan FEA	Tahap awal	Fokus pada performa	Tegangan belum diverifikasi
Tidak ada experimental testing	Data terbatas	Menghindari data fiktif	Belum tervalidasi eksperimen

3. FUNDAMENTAL EQUATIONS AND CALCULATIONS

a. Hydraulic Power

Persamaan:

Pₕ = ρgQH

Diameter pitch runner sekitar 381 mm pada kecepatan 1000 rpm. Ukuran tersebut memberikan kombinasi antara kecepatan tangensial runner dan rotational speed yang sesuai untuk preliminary design.

g. Mass Flow Rate

Persamaan:

ṁ = ρQ

Substitusi:

ṁ = (1000)(0,05)

ṁ = 50 kg/s

Jadi laju massa air yang mengenai runner adalah sekitar 50 kg/s.

h. Velocity Analysis

Kecepatan absolut inlet:

V₁ = Vⱼ = 43,41 m/s

Kecepatan relatif inlet:

W₁ = V₁ − u

W₁ = 43,41 − 19,97

W₁ = 23,44 m/s

Dengan relative velocity factor:

W₂ = kW₁

W₂ = (0,85)(23,44)

W₂ = 19,92 m/s

i. Outlet Whirl Velocity

Untuk pendekatan sederhana Pelton:

Vw₂ = u − W₂ cos β

Dengan β = 15°:

Vw₂ = 19,97 − (19,92)(cos 15°)

Vw₂ ≈ 0,72 m/s

Komponen tangensial inlet:

Vw₁ = 43,41 m/s

Sehingga perubahan whirl velocity:

Vw₁ − Vw₂ = 43,41 − 0,72

Vw₁ − Vw₂ = 42,69 m/s

j. Tangential Force

Persamaan:

Fₜ = ṁ(Vw₁ − Vw₂)

Sekitar 86,9% energi hidrolik teoritis berhasil dikonversikan menjadi daya mekanik pada runner dalam model yang digunakan. Nilai ini bukan efisiensi aktual turbin, melainkan hasil dari model momentum dengan asumsi coefficient k, speed ratio, dan outlet angle.

m. Angular Velocity

Persamaan:

ω = 2πN / 60

Substitusi:

ω = (2π × 1000)/60

ω = 104,72 rad/s

n. Runner Torque

Persamaan:

T = Pᵣ / ω

Substitusi:

T = 42.618 / 104,72

T ≈ 406,97 N·m

atau:

T ≈ 0,407 kN·m

o. Mechanical Shaft Power

Dengan mechanical efficiency sebesar 95%:

Pₛ = ηₘPᵣ

Pₛ = (0,95)(42,62)

Pₛ = 40,49 kW

p. Generator Output

Dengan generator efficiency sebesar 92%:

Pₑ = ηgPₛ

Pₑ = (0,92)(40,49)

Pₑ = 37,25 kW

Interpretasi Engineering

Daya listrik yang diperkirakan tersedia adalah sekitar 37,25 kW. Nilai ini cukup signifikan untuk aplikasi mikrohidro skala komunitas, meskipun kemampuan aktual melayani beban tetap bergantung pada pola debit musiman, sistem kontrol, generator, dan distribusi listrik.

q. Overall Efficiency

Persamaan:

ηₒ = Pₑ / Pₕ

Substitusi:

ηₒ = 37,25 / 49,05

ηₒ = 0,759

atau:

ηₒ ≈ 75,9%

Efisiensi tersebut juga dapat dipandang sebagai:

ηₒ = ηₕ × ηₘ × ηg

ηₒ = (0,8687)(0,95)(0,92)

ηₒ ≈ 0,759

Hasil kedua pendekatan konsisten.

4. TURBINE PRELIMINARY DESIGN

Parameter	Symbol	Result	Unit
Net head	H	100	m
Flow rate	Q	0,05	m³/s
Hydraulic power	Pₕ	49,05	kW
Jet velocity	Vⱼ	43,41	m/s
Jet diameter	dⱼ	0,0383	m
Bucket speed	u	19,97	m/s
Runner diameter	D	0,381	m
Rotational speed	N	1000	rpm
Number of buckets	Z	20	–
Tangential force	Fₜ	2,13	kN
Runner torque	T	0,407	kN·m
Runner power	Pᵣ	42,62	kW
Shaft power	Pₛ	40,49	kW
Electrical power	Pₑ	37,25	kW
Overall efficiency	ηₒ	75,9	%
Specific speed	Nₛ	20,1	–

5. PELTON BUCKET DESIGN

Gambar 1. Preliminary design turbin Pelton

a. TURBIN PELTON PRELIMINARY DESIGN

1. Nozzle

Nozzle berfungsi mengubah energi tekanan dan head air menjadi energi kinetik dalam bentuk water jet yang diarahkan menuju bucket runner. Berdasarkan hasil perhitungan, diameter nozzle ditentukan dari hubungan antara flow rate dan jet velocity. Ukuran nozzle menjadi penting karena menentukan luas penampang aliran serta memastikan debit air dapat diarahkan ke runner dengan kecepatan yang sesuai.

2. Water Jet

Water jet merupakan aliran air berkecepatan tinggi yang menjadi sumber utama momentum untuk memutar runner Pelton. Kecepatan jet diperoleh dari hubungan antara net head dan koefisien kecepatan nozzle. Semakin besar head, semakin besar pula kecepatan jet yang dihasilkan.

3. Pelton Runner

Runner merupakan komponen utama yang menerima momentum dari water jet dan mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik berupa putaran. Runner terdiri dari piringan/cakram dan sejumlah bucket yang ditempatkan secara merata pada keliling runner.

Diameter runner ditentukan berdasarkan hubungan antara bucket speed, speed ratio, dan rotational speed. Pada desain ini, runner dirancang agar memiliki kecepatan peripheral yang sesuai dengan kecepatan jet sehingga transfer energi dapat berlangsung secara efektif.

4. Pelton Bucket

Bucket berfungsi menerima dan membelokkan water jet sehingga terjadi perubahan momentum air. Perubahan momentum tersebut menghasilkan gaya tangensial yang memutar runner.

Bucket dilengkapi dengan splitter pada bagian tengah untuk membagi jet menjadi dua aliran. Bentuk bucket dibuat sedemikian rupa agar air dapat keluar dengan kecepatan relatif yang lebih rendah dan sudut keluar tertentu, sehingga energi yang ditransfer ke runner dapat dimaksimalkan.

5. Shaft

Shaft berfungsi meneruskan torsi dan daya mekanik dari runner menuju generator. Diameter dan kekuatan shaft pada tahap preliminary design perlu mempertimbangkan torque yang dihasilkan, rotational speed, serta faktor keamanan terhadap beban puntir dan kemungkinan getaran.

6. Casing

Casing berfungsi melindungi runner dan mengarahkan air yang telah melewati bucket menuju saluran pembuangan. Casing juga membantu mencegah percikan air keluar dari sistem serta memberikan perlindungan terhadap komponen yang berputar.

7. Generator

Generator mengubah energi mekanik dari shaft menjadi energi listrik. Pemilihan generator harus disesuaikan dengan shaft power, rotational speed, dan karakteristik operasi turbin. Pada tahap preliminary design, generator dapat dipilih berdasarkan daya keluaran yang diperkirakan dari hasil analisis turbin.

b. Number of Bucket

Salah satu hubungan empiris yang sering digunakan untuk preliminary design Pelton adalah:

Z = 15 + D/(2d)

Substitusi:

Z = 15 + 0,381/(2 × 0,0383)

Z = 19,97

Maka:

Z ≈ 20 bucket

Persamaan empiris tersebut juga banyak digunakan dalam desain awal Pelton.

c. Bucket Dimension

Untuk preliminary sizing digunakan pendekatan rasio terhadap diameter jet.

Lebar bucket:

B ≈ 5d

B ≈ 5(0,0383)

B ≈ 0,192 m

Panjang bucket:

L ≈ 2,5d

L ≈ 2,5(0,0383)

L ≈ 0,0957 m

Kedalaman bucket:

t ≈ 0,8d

t ≈ 0,8(0,0383)

t ≈ 0,0306 m

Dimensi tersebut hanya digunakan sebagai preliminary geometry dan harus dioptimasi kembali menggunakan CAD, CFD, serta analisis struktural. Rasio dimensi bucket dapat berbeda tergantung referensi desain dan konfigurasi turbin.

6. VELOCITY TRIANGLE / VELOCITY ANALYSIS

Parameter	Inlet	Outlet	Unit
U	19,97	19,97	m/s
V	43,41	5,21	m/s
Vw	43,41	0,72	m/s
W	23,44	19,92	m/s
β	–	15	degree

Pada inlet, air masuk dengan kecepatan absolut yang sangat tinggi karena telah dipercepat oleh nozzle. Runner bergerak dengan kecepatan 19,97 m/s.

Perbedaan antara kecepatan jet dan kecepatan runner menghasilkan relative velocity terhadap bucket. Setelah melewati bucket, arah aliran berubah sehingga komponen tangensial absolut menjadi jauh lebih kecil.

Perubahan komponen tangensial inilah yang menghasilkan perubahan momentum dan akhirnya menghasilkan torque.

Secara fisik:

Perubahan momentum air → gaya pada bucket → torque → putaran runner → mechanical power

7. PERFORMANCE ANALYSIS

Hydraulic Power

Hydraulic power:

Pₕ = 49,05 kW

Nilai ini merupakan input energi hidrolik teoritis.

Runner Power

Dari momentum analysis:

Pᵣ = 42,62 kW

Runner berhasil mengambil sekitar 86,9% energi hidrolik berdasarkan model.

Shaft Power

Setelah mechanical losses:

Pₛ = 40,49 kW

Electrical Power

Setelah generator losses:

Pₑ = 37,25 kW

Torque

Torque runner:

T = 406,97 N·m

Overall Efficiency

ηₒ = 75,9%

Secara keseluruhan, sekitar 75,9% hydraulic power pada model berhasil dikonversikan menjadi electrical power.

8. MATLAB GRAPHICAL OUTPUT

Berikut kode MATLAB yang dapat digunakan untuk membuat grafik preliminary analysis.

MATLAB CODE

clear;
clc;
close all;

%% DESIGN PARAMETERS
rho = 1000;
g = 9.81;
Q = 0.05;
H = 100;
Cv = 0.98;
phi = 0.46;
k = 0.85;
beta = deg2rad(15);
eta_m = 0.95;
eta_g = 0.92;

N_design = 1000;

%% 1. HYDRAULIC POWER VS FLOW RATE
Q_range = linspace(0.01,0.08,100);

P_h = rho*g*Q_range*H/1000;

figure;
plot(Q_range,P_h,'LineWidth',2);
grid on;
xlabel('Flow Rate Q (m^3/s)');
ylabel('Hydraulic Power (kW)');
title('Hydraulic Power vs Flow Rate');

%% 2. JET VELOCITY VS HEAD
H_range = linspace(50,150,100);

Vj = Cv*sqrt(2*g*H_range);

figure;
plot(H_range,Vj,'LineWidth',2);
grid on;
xlabel('Head H (m)');
ylabel('Jet Velocity (m/s)');
title('Jet Velocity vs Head');

%% 3. NOZZLE DIAMETER VS FLOW RATE
Vj_design = Cv*sqrt(2*g*H);

djet = sqrt(4*Q_range./(pi*Vj_design));

figure;
plot(Q_range,djet*1000,'LineWidth',2);
grid on;
xlabel('Flow Rate Q (m^3/s)');
ylabel('Jet Diameter (mm)');
title('Jet Diameter vs Flow Rate');

%% 4. SHAFT POWER VS FLOW RATE
P_runner_Q = zeros(size(Q_range));

Vj_design = Cv*sqrt(2*g*H);
u = phi*Vj_design;

for i = 1:length(Q_range)

    mdot = rho*Q_range(i);

    W1 = Vj_design-u;
    W2 = k*W1;

    Vw2 = u-W2*cos(beta);

    Ft = mdot*(Vj_design-Vw2);

    P_runner_Q(i) = Ft*u/1000;

end

P_shaft_Q = P_runner_Q*eta_m;

figure;
plot(Q_range,P_shaft_Q,'LineWidth',2);
grid on;
xlabel('Flow Rate Q (m^3/s)');
ylabel('Shaft Power (kW)');
title('Shaft Power vs Flow Rate');

%% 5. EFFICIENCY VS SPEED RATIO
phi_range = linspace(0.1,0.8,100);

eta_h = 2*phi_range.*(1-phi_range) ...
    .*(1+k*cos(beta));

figure;
plot(phi_range,eta_h*100,'LineWidth',2);
grid on;
xlabel('Speed Ratio phi');
ylabel('Hydraulic Efficiency (%)');
title('Hydraulic Efficiency vs Speed Ratio');

%% 6. TORQUE VS ROTATIONAL SPEED
N_range = linspace(500,1500,100);

D = 0.38136;

Vj = Cv*sqrt(2*g*H);

Torque = zeros(size(N_range));
Power = zeros(size(N_range));

for i = 1:length(N_range)

    omega = 2*pi*N_range(i)/60;

    u_N = pi*D*N_range(i)/60;

    W1 = Vj-u_N;
    W2 = k*W1;

    Vw2 = u_N-W2*cos(beta);

    Ft = rho*Q*(Vj-Vw2);

    Power(i) = Ft*u_N/1000;
    Torque(i) = Power(i)*1000/omega;

end

figure;
plot(N_range,Torque,'LineWidth',2);
grid on;
xlabel('Rotational Speed N (rpm)');
ylabel('Torque (N.m)');
title('Torque vs Rotational Speed');

%% 7. RUNNER DIAMETER VS ROTATIONAL SPEED
N_range = linspace(500,1500,100);

Vj = Cv*sqrt(2*g*H);
u_design = phi*Vj;

D_range = 60*u_design./(pi*N_range);

figure;
plot(N_range,D_range*1000,'LineWidth',2);
grid on;
xlabel('Rotational Speed N (rpm)');
ylabel('Runner Diameter (mm)');
title('Runner Diameter vs Rotational Speed');

%% 8. SENSITIVITY HEAD
H_sens = [80 90 100 110 120];

P_h_sens = rho*g*Q*H_sens/1000;

figure;
plot(H_sens,P_h_sens,'o-','LineWidth',2);
grid on;
xlabel('Head (m)');
ylabel('Hydraulic Power (kW)');
title('Sensitivity of Hydraulic Power to Head');

9. PEMBAHASAN HASIL SIMULASI MATLAB

a. Hydraulic Power vs Flow Rate

Grafik hydraulic power terhadap flow rate menunjukkan hubungan yang meningkat secara linear.

Hal ini sesuai dengan persamaan:

Pₕ = ρgQH

Ketika head dan densitas air dianggap konstan, hydraulic power berbanding lurus terhadap debit.

Artinya, peningkatan debit akan memberikan peningkatan hydraulic power dengan laju yang relatif konstan.

Secara engineering, hasil ini menunjukkan bahwa ketersediaan debit merupakan parameter yang sangat penting. Jika debit air turun akibat musim kemarau, daya maksimum yang tersedia juga akan turun secara langsung.

b. Jet Velocity vs Head

Grafik jet velocity terhadap head menunjukkan tren meningkat secara non-linear.

Hubungan tersebut berasal dari:

Vⱼ = Cᵥ√(2gH)

Karena kecepatan jet sebanding dengan akar kuadrat head, peningkatan head menghasilkan peningkatan kecepatan jet, tetapi tidak secara linear.

Pada head desain 100 m, kecepatan jet berada sekitar 43,41 m/s.

Secara engineering, hal ini menunjukkan keuntungan penggunaan daerah pegunungan. Head yang tinggi dapat menghasilkan jet berkecepatan tinggi tanpa membutuhkan debit yang sangat besar.

c. Jet Diameter vs Flow Rate

Grafik diameter jet terhadap flow rate menunjukkan peningkatan diameter ketika debit meningkat.

Hubungannya dapat dilihat dari:

dⱼ = √(4Q / πVⱼ)

Dengan head tetap, Vⱼ relatif konstan sehingga diameter jet meningkat mengikuti akar kuadrat debit.

Artinya, jika debit aktual lebih besar daripada debit desain, diameter nozzle harus diperbesar atau jumlah jet ditambah agar kecepatan jet tetap berada pada range desain.

d. Shaft Power vs Flow Rate

Grafik shaft power terhadap flow rate menunjukkan peningkatan daya ketika debit meningkat.

Hal tersebut terjadi karena massa air yang mengenai bucket per satuan waktu semakin besar.

Hubungan dasar yang digunakan adalah:

P = Fₜu

sedangkan gaya tangensial dipengaruhi oleh laju massa:

Fₜ = ṁ(Vw₁ − Vw₂)

Karena:

ṁ = ρQ

maka peningkatan Q menghasilkan peningkatan gaya tangensial dan akhirnya meningkatkan shaft power.

Hasil ini menunjukkan bahwa debit merupakan salah satu parameter utama yang menentukan kapasitas pembangkit.

e. Hydraulic Efficiency vs Speed Ratio

Grafik efisiensi terhadap speed ratio menunjukkan bentuk kurva yang memiliki titik maksimum.

Pada speed ratio yang terlalu rendah, runner bergerak terlalu lambat dibandingkan jet sehingga pemanfaatan energi tidak optimal.

Sebaliknya, ketika runner terlalu cepat, relative velocity dan perubahan momentum juga menurun.

Oleh karena itu, terdapat kondisi optimum pada speed ratio tertentu.

Untuk preliminary design ini digunakan:

φ = 0,46

Nilai tersebut berada dekat kondisi optimum untuk desain Pelton dan menghasilkan hydraulic efficiency model sekitar 86,9%.

f. Torque vs Rotational Speed

Grafik torque terhadap rotational speed menunjukkan bahwa torque berubah ketika kecepatan runner berubah.

Dengan diameter runner dipertahankan, peningkatan rotational speed menyebabkan kecepatan tangensial runner meningkat. Perubahan tersebut mengurangi relative velocity antara jet dan bucket sehingga perubahan momentum tangensial juga berubah.

Hal ini menunjukkan bahwa pemilihan rotational speed tidak dapat dilakukan hanya berdasarkan kebutuhan generator, tetapi harus dipertimbangkan bersama diameter runner dan speed ratio.

g. Runner Diameter vs Rotational Speed

Grafik menunjukkan bahwa diameter runner berkurang ketika rotational speed meningkat.

Hubungan tersebut berasal dari:

D = 60u / πN

Dengan bucket speed u dianggap tetap, D berbanding terbalik terhadap N.

Artinya, jika generator memiliki kebutuhan rotational speed yang lebih tinggi, runner dapat dibuat lebih kecil. Sebaliknya, generator dengan rotational speed lebih rendah membutuhkan runner yang lebih besar untuk mempertahankan bucket speed yang sama.

h. Sensitivity terhadap Head

Grafik sensitivity menunjukkan hydraulic power meningkat secara linear terhadap head.

Karena:

Pₕ = ρgQH

maka ketika Q tetap, peningkatan head memberikan peningkatan hydraulic power dengan hubungan linear.

Hal ini menunjukkan bahwa lokasi dengan head lebih tinggi memiliki potensi daya lebih besar walaupun debit air tidak berubah.

10. SENSITIVITY ANALYSIS

Sensitivity analysis dilakukan untuk mengetahui parameter mana yang paling berpengaruh terhadap performa turbin.

a. Pengaruh Head

Dengan Q = 0,05 m³/s:

Head	Hydraulic Power
80 m	39,24 kW
100 m	49,05 kW
120 m	58,86 kW

Dari tabel terlihat bahwa hydraulic power meningkat secara linear terhadap head.

b. Pengaruh Flow Rate

Dengan H = 100 m:

Flow Rate	Hydraulic Power
0,04 m³/s	39,24 kW
0,05 m³/s	49,05 kW
0,06 m³/s	58,86 kW

Debit juga memiliki pengaruh linear terhadap hydraulic power.

c. Pengaruh Rotational Speed

Runner diameter mengikuti:

D = 60u / πN

Karena u dianggap konstan, peningkatan N akan menurunkan diameter runner.

Sebagai contoh:

N	Runner Diameter
500 rpm	≈ 762,7 mm
1000 rpm	≈ 381,4 mm
1500 rpm	≈ 254,2 mm

Hasil ini menunjukkan hubungan inverse antara rotational speed dan runner diameter.

d. Pengaruh Speed Ratio

Speed ratio memengaruhi hydraulic efficiency.

Model yang digunakan:

ηₕ = 2φ(1 − φ)(1 + k cos β)

Efisiensi meningkat ketika φ mendekati kondisi optimum dan kemudian kembali menurun.

Dengan demikian, speed ratio harus dipilih melalui kompromi antara:

runner diameter,
rotational speed,
generator speed,
hydraulic efficiency,
torque.

11. VERIFICATION

a. Dimensional Consistency

Untuk hydraulic power:

Pₕ = ρgQH

Satuan:

(kg/m³)(m/s²)(m³/s)(m)

= kg·m²/s³

= W

Sehingga persamaan dimensionalnya benar.

b. Continuity Check

Dari desain:

Q = AV

Dengan:

A = 0,001152 m²

V = 43,41 m/s

Maka:

Q ≈ (0,001152)(43,41)

Q ≈ 0,05 m³/s

Hasil sesuai dengan debit desain.

c. Torque-Power Consistency

Daya runner:

Pᵣ = Tω

Dengan:

T = 406,97 N·m

ω = 104,72 rad/s

Maka:

Pᵣ = (406,97)(104,72)

Pᵣ ≈ 42.618 W

atau:

Pᵣ ≈ 42,62 kW

Hasil sama dengan momentum analysis.

Hal ini menunjukkan bahwa torque dan power calculation konsisten.

d. Energy Balance

Energi hidrolik:

49,05 kW

Runner power:

42,62 kW

Shaft power:

40,49 kW

Electrical power:

37,25 kW

Sehingga:

49,05 > 42,62 > 40,49 > 37,25 kW

Urutan tersebut secara fisik masuk akal karena setiap tahap memiliki losses.

12. VALIDATION

Validation dilakukan secara konseptual dengan membandingkan karakteristik hasil desain terhadap karakteristik umum turbin Pelton.

Turbin Pelton secara umum digunakan pada kondisi high-head dan low-flow. Literatur engineering mikrohidro juga menunjukkan Pelton sebagai salah satu pilihan untuk kondisi tersebut.

Hasil desain memiliki:

Head = 100 m
Debit = 0,05 m³/s
Runner diameter ≈ 381 mm
Jet diameter ≈ 38,3 mm
Jumlah bucket ≈ 20
Speed ratio = 0,46

Jet ratio:

D/d = 0,381 / 0,0383

D/d ≈ 9,95

Nilai tersebut mendekati 10. Karena beberapa pendekatan desain Pelton menggunakan jet ratio sekitar 10–12 atau lebih tergantung konfigurasi, hasil ini masih dapat digunakan untuk preliminary design, tetapi perlu optimasi lebih lanjut pada tahap detailed design.

Specific speed yang diperoleh sekitar 20,1 juga berada pada karakteristik low-specific-speed machine yang sesuai dengan aplikasi high-head seperti Pelton.

Namun, validation ini belum dapat dianggap sebagai validasi eksperimen karena belum terdapat data pengujian prototipe.

13. SPECIFIC SPEED

Specific speed dihitung menggunakan:

Nₛ = N√Pₛ / H⁵ᐟ⁴

Dengan:

N = 1000 rpm
Pₛ = 40,49 kW
H = 100 m

Maka:

Nₛ = (1000)√(40,49)/(100)⁵ᐟ⁴

Nₛ ≈ 20,1

Nilai specific speed yang rendah konsisten dengan karakteristik turbin Pelton untuk aplikasi high-head.

14. ENGINEERING DISCUSSION

Apakah Pelton cocok untuk daerah pegunungan?

Pelton sangat sesuai apabila karakteristik sumber air memiliki head tinggi dan debit relatif kecil. Pada kondisi desain, head bersih sebesar 100 m memberikan hydraulic power yang cukup besar meskipun debit hanya 0,05 m³/s.

Hal ini menjadi alasan utama mengapa Pelton dipilih dibandingkan Kaplan atau Francis.

Kaplan umumnya lebih sesuai untuk low-head high-flow, sedangkan Francis berada pada wilayah intermediate. Pelton memiliki keunggulan pada high-head low-flow.

Apakah diameter runner masuk akal?

Diameter runner sekitar 381 mm masih masuk akal untuk preliminary design dengan jet diameter sekitar 38,3 mm dan rotational speed 1000 rpm.

Namun, jet ratio sekitar 9,95 menunjukkan bahwa desain berada dekat batas bawah dari beberapa rule-of-thumb. Oleh karena itu, diameter runner atau jumlah jet dapat dioptimasi kembali pada tahap berikutnya.

Apakah speed ratio sesuai?

Speed ratio:

φ = 0,46

Nilai tersebut dipilih dekat range yang umum digunakan untuk Pelton. Literatur pembelajaran turbin Pelton memberikan speed ratio praktis sekitar 0,44–0,46.

Dengan demikian, nilai 0,46 dapat digunakan sebagai initial design point.

Apakah jumlah bucket masuk akal?

Hasil perhitungan:

Z ≈ 20 bucket

Jumlah tersebut juga berada pada orde yang umum ditemukan pada Pelton. Materi NPTEL bahkan menampilkan konfigurasi Pelton dengan sekitar 21 bucket.

Dengan demikian, penggunaan 20 bucket cukup masuk akal sebagai preliminary design.

Apakah daya cukup untuk mikrohidro?

Daya listrik teoritis berdasarkan model adalah sekitar:

Pₑ = 37,25 kW

Nilai ini cukup untuk sistem mikrohidro skala komunitas. Namun, daya aktual dapat lebih rendah karena:

debit berubah secara musiman,
head aktual tidak selalu konstan,
sedimentasi,
penstock losses,
nozzle losses,
mechanical losses,
generator losses,
electrical losses.

Oleh karena itu, 37,25 kW harus dipandang sebagai estimated design output, bukan jaminan daya aktual.

15. SAFETY AND SUSTAINABILITY

Safety

1. Overspeed

Runner dapat mengalami overspeed ketika beban generator tiba-tiba terlepas. Sistem governor atau electronic load controller diperlukan untuk mencegah kondisi tersebut.

2. Runner Failure

Runner berputar pada kecepatan tinggi sehingga kegagalan bucket atau disk dapat menyebabkan bahaya mekanik.

3. Shaft Failure

Shaft harus dirancang berdasarkan torque, bending moment, fatigue, dan safety factor.

4. Penstock Failure

Penstock membawa air bertekanan tinggi. Kegagalan pipa dapat menyebabkan pelepasan energi yang besar.

5. High Velocity Jet

Jet dengan kecepatan sekitar 43 m/s sangat berbahaya apabila mengenai manusia secara langsung.

6. Vibration

Ketidakseimbangan runner, misalignment, atau hydraulic excitation dapat menyebabkan vibration.

7. Generator Protection

Generator perlu dilengkapi proteksi terhadap:

overcurrent,
overvoltage,
overspeed,
overheating,
short circuit.

Sustainability

Pemanfaatan energi air memiliki beberapa keuntungan:

Menggunakan sumber energi terbarukan.
Mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil.
Mengurangi emisi operasi.
Dapat menyediakan listrik secara kontinu selama debit tersedia.
Cocok untuk daerah terpencil.
Dapat mendukung aktivitas ekonomi masyarakat.
Biaya operasi dapat relatif rendah setelah instalasi.

Namun, pengembangan mikrohidro tetap harus mempertimbangkan:

debit ekologis,
sedimentasi,
perubahan aliran sungai,
gangguan habitat,
konstruksi penstock,
kebutuhan pemeliharaan.

16. LIMITATION

Perancangan ini merupakan preliminary engineering design sehingga memiliki beberapa keterbatasan.

Head dan debit merupakan assumed design input.
Belum menggunakan data pengukuran lapangan.
Head loss penstock masih diasumsikan.
Belum dilakukan hydraulic survey.
Belum dilakukan CFD.
Aliran diasumsikan steady.
Analisis menggunakan model satu dimensi.
Geometri bucket masih menggunakan pendekatan rasio.
Belum dilakukan FEA.
Belum dilakukan fatigue analysis.
Belum dilakukan experimental testing.
Efisiensi mechanical dan generator masih diasumsikan.
Belum dianalisis sediment erosion secara detail.
Belum dianalisis transient flow.
Belum dilakukan water hammer analysis.
Belum dilakukan detailed shaft design.
Belum dilakukan bearing selection.
Belum dilakukan detailed generator matching.
Belum dilakukan economic analysis.
Belum dilakukan prototype testing.

Dengan demikian, hasil desain tidak dapat langsung digunakan sebagai final manufacturing drawing atau installation specification.

17. CONCLUSION

Berdasarkan preliminary engineering design yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa:

Turbin Pelton dipilih karena karakteristiknya sesuai dengan sumber energi air pada daerah pegunungan yang memiliki head relatif tinggi dan debit relatif rendah.
Dengan asumsi net head 100 m dan debit 0,05 m³/s, hydraulic power yang tersedia adalah sekitar 49,05 kW.
Kecepatan jet yang diperoleh dari nozzle adalah sekitar 43,41 m/s dengan diameter jet sekitar 38,3 mm.
Dengan speed ratio 0,46 dan rotational speed 1000 rpm, diperoleh bucket speed sekitar 19,97 m/s dan diameter runner sekitar 0,381 m.
Berdasarkan analisis momentum, runner menghasilkan daya sekitar 42,62 kW dan torque sekitar 406,97 N·m.
Setelah mempertimbangkan mechanical efficiency dan generator efficiency, shaft power diperkirakan sekitar 40,49 kW dan electrical power sekitar 37,25 kW.
Efisiensi keseluruhan sistem berdasarkan asumsi yang digunakan adalah sekitar 75,9%.
Jumlah bucket yang diperoleh dari pendekatan empiris adalah sekitar 20 bucket, sehingga secara orde besaran masih sesuai dengan karakteristik Pelton.
Hasil sensitivity analysis menunjukkan bahwa head dan debit merupakan parameter utama yang memengaruhi available power, sedangkan rotational speed memiliki pengaruh langsung terhadap kebutuhan diameter runner.
Hasil ini masih merupakan preliminary design sehingga diperlukan CFD, FEA, pengujian eksperimental, dan pengukuran lapangan sebelum turbin dapat diproduksi dan dioperasikan secara aktual.

18. RECOMMENDATION

Pengembangan berikutnya dapat dilakukan melalui:

1. CFD Analysis

CFD dapat digunakan untuk melihat:

velocity field,
pressure distribution,
turbulence,
flow separation,
bucket interaction,
nozzle jet profile.

2. Detailed Bucket Optimization

Geometri splitter, curvature, bucket angle, width, depth, dan spacing dapat dioptimasi menggunakan CFD.

3. FEA

Analisis struktur perlu dilakukan untuk mengetahui:

von Mises stress,
deformation,
fatigue,
safety factor.

4. Penstock Optimization

Penstock perlu dihitung secara detail menggunakan:

Darcy-Weisbach,
minor losses,
pipe diameter optimization,
water hammer analysis.

5. Generator Matching

Generator perlu dipilih berdasarkan:

rated speed,
rated power,
voltage,
frequency,
efficiency,
load profile.

6. Experimental Testing

Prototype perlu diuji untuk memperoleh:

actual torque,
actual rotational speed,
actual efficiency,
power curve,
operating range.

7. Sediment and Erosion Analysis

Daerah pegunungan dapat memiliki kandungan sedimen yang tinggi. Oleh karena itu, desain nozzle dan bucket perlu mempertimbangkan erosion resistance.

8. Automatic Control

Sistem dapat dikembangkan menggunakan electronic load controller atau governor untuk mempertahankan rotational speed dan kualitas listrik.

19. REFERENCES

Cengel, Y. A., & Cimbala, J. M. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications. McGraw-Hill.
Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., & Huebsch, W. W. Fundamentals of Fluid Mechanics. Wiley.
Dixon, S. L., & Hall, C. A. Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery. Butterworth-Heinemann.
Nechleba, M. Hydraulic Turbines: Their Design and Equipment. Artia.
Paish, O. (2002). Micro-hydropower: Status and prospects. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy.
NPTEL. Fluid Machinery – Impulse Turbine: The Pelton Wheel. National Programme on Technology Enhanced Learning. Materi tersebut menjelaskan Pelton sebagai turbin impuls yang sesuai untuk head tinggi serta penggunaan bucket dan nozzle.
CIBSE Journal. Applying Micro-Hydro Power Generation. Sumber tersebut membahas karakteristik Pelton untuk high-head low-flow serta perbandingannya dengan Turgo, Cross-flow, Francis, dan Kaplan.
NCAT. Micro-Hydro Power: A Beginner’s Guide to Design and Installation. Membahas prinsip dasar Pelton, nozzle, bucket, serta kesesuaian Pelton terhadap high-head low-flow application.
Hassan, J. M., et al. (2021). Impulse Water Turbine. Hydraulic Power Plants: A Textbook for Engineering Students. Bentham Science.
Materi engineering Pelton mengenai speed ratio, velocity analysis, bucket number, dan preliminary sizing digunakan sebagai referensi pembanding, bukan sebagai sumber langsung angka desain proyek ini.

20. APPENDIX – RINGKASAN PARAMETER DESAIN

Parameter	Nilai
Gross head	110 m
Head loss assumption	10 m
Net head	100 m
Flow rate	0,05 m³/s
Hydraulic power	49,05 kW
Jet velocity	43,41 m/s
Jet diameter	38,3 mm
Bucket speed	19,97 m/s
Runner diameter	381 mm
Rotational speed	1000 rpm
Number of bucket	20
Tangential force	2,13 kN
Runner torque	406,97 N·m
Runner power	42,62 kW
Shaft power	40,49 kW
Electrical power	37,25 kW
Hydraulic efficiency	86,9%
Overall efficiency	75,9%
Specific speed	20,1

PENUTUP

Perancangan turbin Pelton ini menunjukkan bagaimana konsep dasar Sistem Konversi Energi dapat dihubungkan secara langsung dengan permasalahan engineering nyata. Head dan debit tidak hanya menjadi parameter awal, tetapi menentukan seluruh rantai desain mulai dari hydraulic power, jet velocity, nozzle diameter, runner speed, runner diameter, bucket geometry, torque, shaft power, hingga electrical output.

Dengan pendekatan tersebut, desain tidak berhenti pada perhitungan satu nilai daya, tetapi membentuk hubungan:

Head → Flow Rate → Hydraulic Power → Nozzle → Jet → Bucket → Runner → Torque → Shaft Power → Generator → Electrical Power

Hasil akhir menunjukkan bahwa dengan asumsi head 100 m dan debit 0,05 m³/s, sistem dapat menghasilkan estimasi daya listrik sekitar 37,25 kW. Nilai tersebut menunjukkan potensi penggunaan Pelton sebagai pembangkit mikrohidro pada daerah pegunungan.

Mohon maaf apabila masih terdapat kesalahan dalam penyusunan laporan, baik dalam perhitungan, penulisan, maupun penyampaian materi. Saya menyadari bahwa laporan ini masih memiliki keterbatasan dan masih dapat dikembangkan lebih lanjut melalui simulasi yang lebih detail maupun pengujian eksperimental.

الْحَمْدُ لِلَّهِ رَبِّ الْعَالَمِينَ

وَالسَّلَامُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللَّهِ وَبَرَكَاتُهُ

ccitonline.com

Quick Links

Tugas Besar Laporan Merancang Turbin Pelton

Adam Malik (2406429102) — SKE 02

PERANCANGAN DAN ANALISIS TURBIN PELTON SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK MIKROHIDRO UNTUK MASYARAKAT DI DAERAH PEGUNUNGAN

A. PROJECT TITLE

B. AUTHOR COMPLETE NAME

C. AFFILIATION

D. ABSTRACT

E. AUTHOR DECLARATION

1. Deep Awareness (of) I

2. Intention of the Project Activity

F. INTRODUCTION

1. Background

2. Engineering Problem

3. Initial Thinking (about the Problem)

a. Systematic Problem Analysis

b. Problem Decomposition

c. Fundamental Principles

Conservation of Mass

Hydraulic Power

Jet Velocity

Nozzle Area

Bucket Speed

Runner Diameter

Momentum Analysis

Torque

Shaft Power

Electrical Power

Overall Efficiency

d. Root Cause Analysis

1. Penstock Loss

2. Nozzle Loss

3. Bucket Loss

4. Splash Loss

5. Mechanical Loss

6. Generator Loss

7. Speed Ratio

8. Bucket Geometry

9. Misalignment

10. Erosion

e. State of the Art

G. METHODS & PROCEDURES

1. Design Input

2. IDEALIZATION

3. FUNDAMENTAL EQUATIONS AND CALCULATIONS

a. Hydraulic Power

Interpretasi Engineering

b. Jet Velocity

Interpretasi Engineering

c. Nozzle Area

d. Nozzle Diameter

Interpretasi Engineering

e. Bucket Speed

Interpretasi Engineering

f. Runner Diameter

Interpretasi Engineering

g. Mass Flow Rate

h. Velocity Analysis

i. Outlet Whirl Velocity

j. Tangential Force

Interpretasi Engineering

k. Runner Power

l. Hydraulic Efficiency

Interpretasi Engineering

m. Angular Velocity

n. Runner Torque

o. Mechanical Shaft Power

p. Generator Output

Interpretasi Engineering

q. Overall Efficiency

4. TURBINE PRELIMINARY DESIGN

5. PELTON BUCKET DESIGN

a. TURBIN PELTON PRELIMINARY DESIGN

1. Nozzle

2. Water Jet

3. Pelton Runner

4. Pelton Bucket

5. Shaft

6. Casing

7. Generator

b. Number of Bucket