---

PERANCANGAN TURBIN PELTON UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO SKALA DESA

بِسْمِ ٱللَّهِ ٱلرَّحْمَـٰنِ ٱلرَّحِيمِ 

ٱلسَّلَامُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ ٱللَّٰهِ وَبَرَكَاتُهُ 

---

A. JUDUL PROYEK

Perancangan Turbin Pelton untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Skala Desa

B. NAMA LENGKAP PENULIS

Nama : Rasendriya Aura Mecca Pamungkas
NPM : 2406413640

C. AFILIASI

Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

---

D. ABSTRAK

Laporan ini membahas perancangan awal Turbin Pelton untuk aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) skala desa. Perancangan menggunakan data studi berupa gross head sebesar 50 m, debit desain 0,035 m³/s, penstock baja sepanjang 120 m dengan diameter dalam 0,20 m, dan konfigurasi satu nozzle. Proses perancangan meliputi analisis aliran dalam penstock, perhitungan head loss dan net head, penentuan daya hidrolik, perancangan nozzle dan jet, runner dan bucket, analisis velocity triangle, gaya momentum, torsi, daya mekanik, daya listrik, efisiensi turbin, serta pemeriksaan awal poros dan penstock.

Hasil perhitungan menunjukkan kecepatan aliran dalam penstock sebesar 1,114 m/s dengan total kehilangan head 0,806 m, sehingga diperoleh net head sebesar 49,194 m. Daya hidrolik yang tersedia sebesar 16,89 kW. Kecepatan jet adalah 30,45 m/s dengan diameter jet teoritis 38,26 mm. Runner memiliki diameter teoritis 445,8 mm dan dipilih diameter desain 450 mm pada putaran 600 rpm. Runner menggunakan 21 bucket. Analisis velocity triangle menghasilkan efisiensi hidrolik runner sekitar 92,99%, sedangkan estimasi efisiensi turbin setelah memasukkan efisiensi nozzle dan mekanik adalah sekitar 84,84%, sangat dekat dengan efisiensi desain sebesar 85%. Daya mekanik desain sebesar 14,36 kW dan estimasi daya listrik sebesar 13,21 kW. Hasil menunjukkan bahwa konfigurasi tersebut secara konseptual layak untuk aplikasi mikrohidro, tetapi pengukuran lapangan, analisis struktur, dan pengujian eksperimental tetap diperlukan sebelum implementasi nyata.

---

E. DEKLARASI PENULIS

1. Kesadaran Diri yang Mendalam (Deep Awareness of I)

Dalam melakukan perancangan Turbin Pelton ini, penulis menyadari bahwa engineering bukan sekadar proses memasukkan angka ke dalam persamaan. Setiap keputusan desain dapat memberikan dampak terhadap manusia, keselamatan, pemanfaatan sumber daya, dan lingkungan. Energi yang terkandung di dalam air merupakan fenomena alam yang bekerja mengikuti hukum-hukum fisika, sedangkan manusia berusaha mempelajari dan memanfaatkannya melalui ilmu pengetahuan.

Kesadaran tersebut mendorong penulis untuk menerapkan prinsip Cara Cerdas Ingat Tuhan (CCIT) melalui ketelitian, kejujuran terhadap data, konsistensi perhitungan, dan keterbukaan terhadap keterbatasan hasil. Parameter seperti head, debit, dan karakteristik sistem dalam laporan ini masih merupakan data studi dan belum merupakan hasil survei suatu lokasi tertentu.

Dalam konteks mikrohidro, air yang digunakan untuk pembangkit juga dapat mempunyai fungsi lain bagi masyarakat dan lingkungan. Karena itu, penerapan Turbin Pelton tidak hanya perlu menghasilkan energi secara efisien, tetapi juga mempertimbangkan debit lingkungan, penggunaan air lainnya, keselamatan, serta keberlanjutan.

2. Niat Kegiatan Proyek (Intention)

Perancangan ini dilakukan untuk memahami secara sistematis proses perubahan energi potensial air menjadi energi kinetik jet, energi mekanik pada runner, dan akhirnya energi listrik melalui generator.

Tujuan teknis proyek adalah menentukan parameter utama Turbin Pelton berdasarkan kondisi sumber air yang diberikan, memperoleh dimensi runner, nozzle, bucket, dan poros secara rasional, serta mengevaluasi gaya, torsi, daya, dan efisiensi sistem.

Perancangan juga ditujukan untuk membangun proses engineering yang dapat ditelusuri kembali dari data awal hingga keputusan desain akhir. Dengan demikian, setiap angka yang digunakan dapat dibedakan sebagai data, asumsi, hasil perhitungan, atau keputusan desain.

---

F. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Energi air merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik pada daerah dengan perbedaan elevasi dan debit air yang memadai. Salah satu bentuk pemanfaatannya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), yaitu sistem pembangkit berkapasitas relatif kecil yang memanfaatkan energi potensial air.

Pada sistem tersebut, air dialirkan melalui penstock menuju turbin. Untuk Turbin Pelton, energi tekanan dan energi potensial air terlebih dahulu dikonversi menjadi energi kinetik melalui nozzle. Jet berkecepatan tinggi kemudian diarahkan menuju bucket pada runner. Perubahan arah dan momentum air pada bucket menghasilkan gaya tangensial yang memutar runner dan poros.

Turbin Pelton merupakan jenis turbin impuls yang sesuai terutama pada kondisi head relatif tinggi dan debit rendah hingga menengah. Metodologi perancangan pada laporan ini mengikuti pola perancangan pada template referensi, yaitu dari analisis head dan rugi-rugi aliran menuju nozzle, runner, gaya, daya, poros, kemudian verifikasi dan iterasi desain.

Pemikiran Awal tentang Masalah (Initial Thinking)

Perancangan Turbin Pelton tidak dapat dilakukan hanya dengan menentukan diameter runner. Sebagian gross head akan hilang akibat gesekan di sepanjang penstock serta kerugian pada belokan, katup, sambungan, dan komponen sistem lainnya. Oleh sebab itu, net head perlu ditentukan terlebih dahulu.

Diameter penstock juga memengaruhi performa. Diameter yang terlalu kecil meningkatkan kecepatan dan rugi gesek, sedangkan diameter yang terlalu besar dapat meningkatkan biaya konstruksi.

Setelah net head diketahui, kecepatan jet dapat ditentukan. Kecepatan jet kemudian menjadi dasar penentuan kecepatan tangensial runner, diameter runner, jet ratio, jumlah bucket, gaya, torsi, dan daya.

Analisis velocity triangle diperlukan untuk memahami bagaimana momentum jet berubah ketika air melewati bucket. Analisis ini juga dapat digunakan untuk memeriksa efisiensi hidrolik runner dan melihat apakah air meninggalkan bucket dengan komponen kecepatan tangensial yang rendah.

Tabel 1. Permasalahan dan respons perancangan

Permasalahan	Dampak	Respons Perancangan
Head loss pada penstock	Daya berkurang	Hitung major dan minor losses
Diameter penstock kurang tepat	Rugi energi/biaya meningkat	Evaluasi kecepatan dan friction loss
Nozzle tidak sesuai	Jet tidak sesuai debit	Hitung dari kontinuitas
Runner tidak sesuai jet	Efisiensi menurun	Evaluasi speed ratio dan jet ratio
Perubahan momentum tidak dianalisis	Gaya dan torsi tidak diketahui	Gunakan velocity triangle
Debit berubah	Daya keluaran berubah	Parametric study
Data masih asumsi	Belum siap dibangun	Survei dan validasi

Refleksi CCIT

Ketelitian terhadap data merupakan bagian dari tanggung jawab seorang engineer. Karena kondisi sumber air pada laporan ini masih berupa data studi, hal tersebut dinyatakan secara eksplisit agar hasil perancangan tidak diperlakukan sebagai hasil survei lapangan.

---

G. METODE DAN PROSEDUR

Perancangan dimulai dari kondisi sumber air menuju parameter hidrolik dan mekanik Turbin Pelton. Karena debit dan gross head telah ditentukan, besarnya daya menjadi hasil dari proses perhitungan.

Idealisasi, Asumsi, dan Penyederhanaan

Aliran diasumsikan berada dalam kondisi steady state. Air mempunyai massa jenis 1000 kg/m³ dan viskositas kinematik $1\times10^{-6}$ m²/s.

Penstock diasumsikan berupa pipa baja dengan kekasaran absolut 0,045 mm. Total minor loss coefficient digunakan sebesar 2,5.

Turbin menggunakan satu nozzle, $C_v=0,98$, speed ratio target 0,46, efisiensi turbin desain 85%, dan efisiensi generator 92%.

Untuk analisis velocity triangle, digunakan asumsi desain berupa rasio kecepatan relatif keluar bucket sebesar 0,90 terhadap kecepatan relatif masuk dan sudut deviasi outlet sebesar 15°.

Tabel 2. Data dan asumsi perancangan

Parameter	Simbol	Nilai	Satuan
Gross head	$H_g$	50	m
Debit	$Q$	0,035	m³/s
Panjang penstock	$L_p$	120	m
Diameter penstock	$D_p$	0,20	m
Kekasaran pipa	$\varepsilon$	0,045	mm
Minor loss coefficient	$\Sigma K$	2,5	–
Massa jenis	$\rho$	1000	kg/m³
Gravitasi	$g$	9,81	m/s²
Viskositas kinematik	$\nu$	$1\times10^{-6}$	m²/s
Nozzle	$\N_j$	1	buah
Velocity coefficient	$C_v$	0,98	–
Speed ratio	$\phi$	0,46	–
Runner speed	$n$	600	rpm
Efisiensi turbin desain	$\eta_t$	0,85	–
Efisiensi generator	$\eta_g$	0,92	–
Koefisien bucket	$k$	0,90	–
Sudut deviasi outlet	$\beta$	15	°

Instruksi (Instruction Set)

Urutan perancangan terdiri atas analisis penstock, Reynolds number dan friction factor, perhitungan head loss, penentuan net head dan daya hidrolik, perancangan nozzle, runner dan bucket, analisis velocity triangle, perhitungan gaya dan torsi, evaluasi efisiensi, penentuan daya mekanik dan listrik, analisis awal poros, water hammer, validasi, serta studi parametrik.

Refleksi CCIT

Data, asumsi, hasil perhitungan, dan keputusan desain dipisahkan secara jelas agar seluruh proses dapat diperiksa kembali dan tidak menampilkan asumsi sebagai fakta.

---

H. HASIL DAN PEMBAHASAN

Ringkasan Hasil Rancangan

Tabel 3. Ringkasan hasil perancangan

Parameter	Nilai
Gross head	50 m
Net head	49,194 m
Debit	0,035 m³/s
Hydraulic power	16,89 kW
Jet velocity	30,45 m/s
Jet diameter	38,26 mm
Runner diameter	450 mm
Runner speed	600 rpm
Actual speed ratio	0,464
Jet ratio	11,76
Jumlah bucket	21
Bucket width	191,3 mm
Bucket length	95,6 mm
Bucket depth	45,9 mm
Runner hydraulic efficiency	92,99%
Calculated turbine efficiency	84,84%
Design turbine efficiency	85%
Mechanical power	14,36 kW
Electrical power	13,21 kW
Nominal torque	228,5 N·m
Preliminary shaft diameter	40 mm

---

1. Analisis Penstock dan Net Head

Luas penampang:

A_p = (πD_p²) / 4

A_p = [π(0,20)²] / 4

A_p = 0,031416 m²

Kecepatan aliran:

V_p = Q / A_p

V_p = 1,114 m/s

Reynolds number:

Re = (V_pD_p) / ν

Re = 2,23 × 10⁵

Dengan persamaan Swamee–Jain:

f = 0,01707

Major loss:

h_f = f(L_p/D_p)(V_p²/2g)

h_f = 0,648 m

Minor loss:

h_m = ΣK(V_p²/2g)

h_m = 0,158 m

Total:

h_L = 0,806 m

Net head:

H_net = H_g – h_L

H_net = 49,194 m

Head loss hanya sekitar 1,61% dari gross head.

---

2. Daya Hidrolik

P_h = ρgQH_net

P_h = 1000(9,81)(0,035)(49,194)

P_h = 16,89 kW

---

3. Nozzle dan Jet

Kecepatan ideal:

V_ideal = √(2gH_net)

V_ideal = 31,07 m/s

Kecepatan jet aktual:

V_j = C_vV_ideal

V_j = 30,446 m/s

Luas jet:

A_j = Q / V_j

A_j = 1,1496 × 10^-3 m²

Diameter jet:

d = √(4A_j/π)

d = 38,26 mm

---

4. Runner dan Bucket

Kecepatan tangensial target:

u = φV_j

u = 0,46(30,446)

u = 14,005 m/s

Diameter teoritis:

D = 60u / (πn)

D_teoritis = 445,8 mm

Dipilih:

D_runner = 450 mm

Kecepatan tangensial aktual:

U = πDn / 60

U = 14,137 m/s

Speed ratio aktual:

φ_aktual = U / V_j

φ_aktual = 0,464

Jet ratio:

m = D / d

m = 11,76

Jumlah bucket:

Z = D/(2d) + 15

Z = 20,88

Z = 21

Dimensi awal bucket:

B = 5d = 191,3 mm

L_b = 2,5d = 95,6 mm

T_b = 1,2d = 45,9 mm

[Gambar 1. Skema runner, bucket, dan nozzle Turbin Pelton]

---

5. Analisis Velocity Triangle

Kondisi Inlet

Pada sisi masuk bucket, jet dianggap datang secara tangensial sehingga:

V₁ = V_j

V₁ = 30,446 m/s

Kecepatan bucket:

U = 14,137 m/s

Kecepatan relatif masuk:

V_r1 = V₁ – U

V_r1 = 30,446 – 14,137

V_r1 = 16,309 m/s

Karena jet masuk secara tangensial:

V_w1 = V₁

V_w1 = 30,446 m/s

Kondisi Outlet

Dengan koefisien bucket:

k = 0,90

maka:

V_r2 = kV_r1

V_r2 = 0,90(16,309)

V_r2 = 14,678 m/s

Komponen relatif keluar pada arah tangensial:

V_r2,x = -V_r2 cos β

dengan:

β = 15°

sehingga:

V_r2,x = -14,678 cos 15°

Whirl velocity outlet:

V_w2 = U – V_r2 cos β

V_w2 ≈ -0,041 m/s

Flow velocity outlet:

V_f2 = V_r2 sin β

V_f2 = 3,799 m/s

Absolute outlet velocity:

V₂ = √(V_w2² + V_f2²)

V₂ ≈ 3,799 m/s

Nilai V_w2 yang sangat dekat dengan nol menunjukkan bahwa air meninggalkan bucket dengan komponen momentum tangensial yang sangat kecil. Secara fisik, kondisi tersebut menunjukkan bahwa sebagian besar momentum tangensial jet telah diserahkan kepada runner.

---

6. Gaya, Torsi, dan Daya Runner

Mass flow rate:

ṁ = ρQ

ṁ = 35 kg/s

Gaya tangensial:

F_t = ṁ(V_w1 – V_w2)

F_t = 35(30,446 – (-0,041))

F_t ≈ 1067 N

Daya runner berdasarkan momentum:

P_runner = F_tU

P_runner = 1067(14,137)

P_runner = 15,085 kW

Daya kinetik jet:

P_jet = (1/2)ρQV_j²

P_jet = 16,222 kW

Torsi momentum:

T_F = F_tr

T_F = 1067(0,225)

T_F = 240,1 N·m

---

7. Analisis Efisiensi Turbin

Analisis efisiensi dipisahkan menjadi beberapa tahap agar sumber kerugian dapat dipahami.

Efisiensi Nozzle

Karena:

V_j = C_vV_ideal

maka:

η_nozzle = V_j² / V_ideal² = C_v²

η_nozzle = 0,98²

η_nozzle = 96,04%

Efisiensi Hidrolik Runner

η_runner = P_runner / P_jet

η_runner = 15,085 / 16,222

η_runner = 92,99%

Efisiensi ini menggambarkan kemampuan runner mengubah daya kinetik jet menjadi daya pada runner menurut model velocity triangle.

Efisiensi Konversi Hidrolik

Jika dibandingkan terhadap daya hidrolik pada net head:

η_hyd = P_runner / P_h

η_hyd = 15,085 / 16,891

η_hyd = 89,31%

Estimasi Efisiensi Turbin

Untuk memasukkan rugi mekanik digunakan asumsi efisiensi mekanik:

η_m = 0,95

Sehingga:

η_t,calc = η_nozzle η_runner η_m

η_t,calc = 0,9604(0,9299)(0,95)

η_t,calc = 84,84%

Efisiensi hasil analisis sebesar 84,84% sangat dekat dengan efisiensi turbin desain:

η_t,design = 85%

Perbedaan hanya sekitar 0,16 poin persentase. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan efisiensi desain 85% konsisten dengan analisis velocity triangle pada kondisi operasi yang dipilih.

[Gambar 3. Speed Ratio terhadap Turbine Efficiency – hasil MATLAB]

---

8. Daya Mekanik dan Daya Listrik

Untuk menjaga konsistensi laporan, daya poros desain dihitung dengan efisiensi turbin 85%:

P_m = η_tP_h

P_m = 0,85(16,891)

P_m = 14,36 kW

Kecepatan sudut:

ω = 2πn / 60

ω = 62,83 rad/s

Torsi nominal:

T = P_m / ω

T = 228,5 N·m

Daya listrik:

P_e = η_gP_m

P_e = 0,92(14,357)

P_e = 13,21 kW

Overall efficiency:

η_overall = η_tη_g

η_overall = 78,2%

Hubungan daya memenuhi:

P_e < P_m < P_h

13,21 < 14,36 < 16,89 kW

sehingga konsisten terhadap prinsip konservasi energi.

---

9. Perancangan Awal Poros

Untuk pemeriksaan konservatif digunakan torsi momentum:

T_d = 240 N·m

Dengan asumsi material/desain:

τ_izin = 40 MPa

diameter teoritis:

d_s = ∛[16T / (πτ)]

d_s ≈ 31,3 mm

Dipilih diameter awal:

d_shaft = 40 mm

Nilai tersebut belum final karena desain aktual perlu mempertimbangkan bending, fatigue, keyway, bearing, berat runner, dan critical speed.

---

10. Generator dan Sistem Transmisi

Jika generator menggunakan kecepatan nominal sekitar 1500 rpm:

i = n_gen / n_runner

i = 1500 / 600

i = 2,5

Dengan demikian dapat digunakan transmisi belt-pulley dengan rasio peningkatan putaran sekitar 1:2,5.

Generator dengan kapasitas nominal sedikit di atas daya listrik desain sekitar 13,21 kW dapat dipertimbangkan. Pemilihan aktual memerlukan karakteristik generator yang nyata.

---

11. Pukulan Air dan Ketebalan Penstock

Dengan asumsi:

t_c = 5 s

lonjakan head:

ΔH = (2L_pV_p) / (gt_c)

ΔH = 5,45 m

Tekanan maksimum:

p_maks = ρg(H_g + ΔH)

p_maks = 0,544 MPa

Dengan asumsi:

σ_izin = 100 MPa

e = 0,85

ketebalan akibat tekanan:

t = pD / (2σe)

t ≈ 0,64 mm

Dengan allowance korosi 1,5 mm:

t_min ≈ 2,14 mm

Dipilih sebagai desain awal:

t_desain = 4 mm

---

12. Parametric Study dan Grafik Cartesian

Grafik pertama menunjukkan hubungan gross head terhadap daya hidrolik, mekanik, dan listrik. Dengan debit tetap, kenaikan head menghasilkan kenaikan daya yang hampir linear.

Grafik kedua menunjukkan hubungan debit terhadap daya. Berbeda dengan head, perubahan debit juga mengubah kecepatan di dalam penstock sehingga head loss berubah. Oleh sebab itu, hubungan debit terhadap daya tidak sepenuhnya linear.

Grafik ketiga menunjukkan hubungan antara speed ratio dan efisiensi Turbin Pelton berdasarkan velocity triangle. Grafik tersebut penting karena menunjukkan bahwa terdapat daerah operasi optimum. Jika runner terlalu lambat atau terlalu cepat terhadap jet, transfer momentum menurun dan efisiensi berkurang.

13. Engineering Design Validation

Pemeriksaan	Hasil	Status
Net head < Gross head	49,194 < 50 m	Memenuhi
Head loss	1,61%	Memenuhi
Design speed ratio	0,464	Memenuhi
Jet ratio	11,76	Memenuhi
Number of buckets	21	Realistis
Runner hydraulic efficiency	92,99%	Konsisten
Calculated turbine efficiency	84,84%	Sangat dekat 85%
$P_m<P_h$	14,36 < 16,89 kW	Memenuhi
$P_e<P_m$	13,21 < 14,36 kW	Memenuhi
Momentum power > design shaft power	15,085 > 14,357 kW	Konsisten
Runner theoretical → design	445,8 → 450 mm	Memenuhi

---

Pembahasan

Hasil perancangan menunjukkan keterkaitan yang konsisten antara kondisi sumber air, kecepatan jet, kecepatan runner, dan daya keluaran. Net head sebesar 49,194 m menghasilkan kecepatan jet sekitar 30,45 m/s. Dengan runner berdiameter 450 mm pada putaran 600 rpm diperoleh kecepatan tangensial sekitar 14,14 m/s dan speed ratio 0,464.

Analisis velocity triangle menunjukkan bahwa komponen whirl velocity air pada outlet hanya sekitar −0,041 m/s. Nilai yang mendekati nol menunjukkan bahwa sebagian besar momentum tangensial air telah berpindah kepada runner.

Efisiensi hidrolik runner berdasarkan momentum sebesar 92,99%. Setelah kerugian nozzle dan efisiensi mekanik diperhitungkan, efisiensi turbin teoritis diperkirakan sebesar 84,84%. Nilai ini hampir sama dengan efisiensi desain sebesar 85%, sehingga terdapat konsistensi antara asumsi desain dan model momentum.

Grafik hubungan speed ratio terhadap efisiensi juga akan memperlihatkan bahwa kinerja turbin mempunyai titik optimum. Runner yang bergerak terlalu lambat tidak memanfaatkan kecepatan jet secara optimal, sedangkan runner yang terlalu cepat mengurangi kecepatan relatif air terhadap bucket.

Diameter penstock 200 mm menghasilkan kehilangan head yang kecil. Namun diameter tersebut belum tentu optimum secara ekonomi karena kecepatan hanya sekitar 1,114 m/s. Optimasi lebih lanjut perlu mempertimbangkan biaya pipa terhadap nilai energi yang hilang.

Dimensi bucket merupakan hasil pendekatan awal dan belum mencakup geometri splitter maupun profil tiga dimensi. Karena itu, pengembangan CAD, CFD, FEA, dan pengujian prototipe menjadi langkah lanjutan.

Refleksi CCIT

Analisis menunjukkan bahwa model ideal selalu memiliki keterbatasan. Kedekatan hasil teoritis dengan asumsi desain tidak berarti sistem telah terbukti bekerja dengan efisiensi yang sama di lapangan. Hasil perhitungan tetap perlu diverifikasi melalui pengukuran dan eksperimen.

---

I. KESIMPULAN, PENUTUP, DAN REKOMENDASI

Kesimpulan

Berdasarkan gross head 50 m dan debit 0,035 m³/s, total head loss sebesar 0,806 m menghasilkan net head 49,194 m.

Daya hidrolik yang tersedia sebesar 16,89 kW. Kecepatan jet diperoleh sebesar 30,45 m/s dengan diameter jet 38,26 mm.

Runner teoritis memiliki diameter 445,8 mm dan dipilih diameter desain 450 mm pada 600 rpm. Speed ratio aktual sebesar 0,464 dan jet ratio 11,76. Runner menggunakan 21 bucket dengan lebar sekitar 191 mm, panjang 96 mm, dan kedalaman 46 mm.

Analisis velocity triangle menghasilkan kecepatan relatif inlet 16,309 m/s, kecepatan relatif outlet 14,678 m/s, dan whirl velocity outlet sekitar −0,041 m/s. Kondisi tersebut menunjukkan transfer momentum tangensial yang tinggi.

Efisiensi nozzle sebesar 96,04%, efisiensi hidrolik runner 92,99%, dan estimasi efisiensi turbin setelah memperhitungkan efisiensi mekanik sekitar 84,84%. Nilai tersebut sangat dekat dengan asumsi efisiensi desain 85%.

Daya mekanik desain sebesar 14,36 kW dengan torsi nominal 228,5 N·m. Setelah generator dengan efisiensi 92%, daya listrik diperkirakan sebesar 13,21 kW.

Secara konseptual, Turbin Pelton satu nozzle dengan runner diameter 450 mm dan putaran 600 rpm sesuai untuk kondisi mikrohidro pada studi ini. Namun survei kondisi lapangan, pengembangan geometri bucket, analisis struktur, dan pengujian eksperimen tetap diperlukan sebelum konstruksi.

Penutup

Perancangan menunjukkan bahwa performa Turbin Pelton tidak hanya ditentukan oleh satu dimensi, melainkan merupakan hasil hubungan antara head, debit, penstock, nozzle, kecepatan jet, runner, velocity triangle, gaya, torsi, dan efisiensi.

Rekomendasi

Survei lapangan aktual perlu dilakukan untuk memperoleh head dan debit musiman. Setelah itu desain perlu dihitung ulang menggunakan data aktual, dilanjutkan dengan optimasi penstock, pengembangan CAD bucket, CFD, FEA, analisis poros secara lengkap, pemilihan generator, pembuatan prototipe, dan pengujian efisiensi.

---

J. UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kesempatan dan ilmu yang memungkinkan penyusunan perancangan ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada dosen pengampu mata kuliah Sistem Konversi Energi, keluarga, rekan mahasiswa, dan seluruh pihak yang mendukung proses pembelajaran.

---

K. DAFTAR PUSTAKA

Bansal, R. K. (2005). A Textbook of Fluid Mechanics and Hydraulic Machines. New Delhi: Laxmi Publications.

Chaudhry, M. H. (2014). Applied Hydraulic Transients (3rd ed.). New York: Springer.

Dixon, S. L., & Hall, C. A. (2014). Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery (7th ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann.

Harvey, A., Brown, A., Hettiarachchi, P., & Inversin, A. (1993). Micro-Hydro Design Manual: A Guide to Small-Scale Water Power Schemes. London: ITDG Publishing.

Nechleba, M. (1957). Hydraulic Turbines: Their Design and Equipment. Prague: Artia.

Penche, C. (1998). Layman’s Guidebook on How to Develop a Small Hydro Site (2nd ed.). Brussels: European Small Hydropower Association.

Swamee, P. K., & Jain, A. K. (1976). Explicit equations for pipe-flow problems. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 102(5), 657–664.

White, F. M. (2016). Fluid Mechanics (8th ed.). New York: McGraw-Hill Education.

---

L. LAMPIRAN

Lampiran A. Daftar Rumus

A_p = (πD_p²) / 4

V_p = Q / A_p

Re = (V_pD_p) / ν

h_f = f(L/D)(V²/2g)

h_m = ΣK(V²/2g)

H_net = H_g – h_f – h_m

P_h = ρgQH_net

V_j = C_v√(2gH_net)

d = √[4Q / (πV_j)]

U = πDn / 60

V_r1 = V₁ – U

V_r2 = kV_r1

V_w2 = U – V_r2 cos β

F_t = ṁ(V_w1 – V_w2)

T = Fr

P = Tω

η_runner = P_runner / P_jet

η_t = η_nozzleη_runnerη_m

---

Lampiran B. Rekapitulasi Parameter Final

Parameter	Simbol	Nilai	Satuan
Gross head	$H_g$	50	m
Net head	$H_{net}$	49,194	m
Debit	$Q$	0,035	m³/s
Penstock velocity	$V_p$	1,114	m/s
Reynolds number	$Re$	$2,23\times10^5$	–
Friction factor	$f$	0,01707	–
Hydraulic power	$P_h$	16,89	kW
Jet velocity	$V_j$	30,45	m/s
Jet diameter	$d$	38,26	mm
Runner diameter	$D$	450	mm
Runner speed	$n$	600	rpm
Speed ratio	$\phi$	0,464	–
Jet ratio	$m$	11,76	–
Number of buckets	$Z$	21	buah
Relative inlet velocity	$V_{r1}$	16,309	m/s
Relative outlet velocity	$V_{r2}$	14,678	m/s
Outlet whirl velocity	$V_{w2}$	−0,041	m/s
Runner efficiency	$\eta_r$	92,99	%
Calculated turbine efficiency	$\eta_{t,calc}$	84,84	%
Design turbine efficiency	$\eta_t$	85	%
Mechanical power	$P_m$	14,36	kW
Electrical power	$P_e$	13,21	kW
Nominal torque	$T$	228,5	N·m
Shaft diameter	$d_s$	40	mm

---

Lampiran C. The 33 DAI5 Implementation Evaluation Criteria

No.	Kriteria DAI5	Implementasi dalam Laporan
1	Consciousness of Purpose	Perancangan dilakukan dengan kesadaran bahwa ilmu engineering digunakan untuk memanfaatkan energi air secara bertanggung jawab dan bermanfaat bagi masyarakat.
2	Self-awareness	Penulis menyadari bahwa desain masih menggunakan data studi dan belum didasarkan pada survei lapangan maupun pengujian fisik.
3	Ethical Considerations	Perancangan mempertimbangkan keselamatan, kebutuhan masyarakat, debit lingkungan, serta dampak terhadap lingkungan sekitar.
4	Integration of CCIT	Ketelitian, kejujuran terhadap data, dan keterbukaan dalam menyatakan asumsi dijadikan bagian dari tanggung jawab dalam menggunakan ilmu engineering.
5	Critical Reflection	Hasil perhitungan dievaluasi kembali berdasarkan keterbatasan model, asumsi, dan kebutuhan validasi lebih lanjut.
6	Continuum of Awareness	Kesadaran terhadap akurasi, keterbatasan, keselamatan, dan tanggung jawab dipertahankan sepanjang proses perancangan.
7	Clarity of Intent	Proyek memiliki tujuan yang jelas, yaitu merancang Turbin Pelton untuk aplikasi mikrohidro skala desa.
8	Alignment of Objectives	Perhitungan nozzle, runner, bucket, poros, daya, dan efisiensi diarahkan untuk mencapai tujuan utama perancangan.
9	Relevance of Intent	Perancangan difokuskan pada kebutuhan pembangkit mikrohidro yang relevan dengan kondisi pedesaan.
10	Sustainability Focus	Desain mempertimbangkan energi terbarukan, debit lingkungan, perubahan debit musiman, dan keberlanjutan sumber air.
11	Focus on Quality	Kualitas desain dijaga melalui konsistensi satuan, validasi hasil, dan penggunaan parameter yang sama pada laporan maupun MATLAB.
12	Problem Understanding	Masalah dijelaskan melalui hubungan antara head, debit, rugi penstock, nozzle, runner, gaya, torsi, dan daya.
13	Stakeholder Awareness	Perancangan mempertimbangkan masyarakat pengguna listrik, pengguna air, operator PLTMH, dan lingkungan.
14	Contextual Analysis	Analisis ditempatkan dalam konteks sistem mikrohidro skala desa dengan head relatif tinggi dan debit sedang.
15	Root Cause Analysis	Faktor penyebab penurunan performa seperti head loss, diameter penstock, perubahan debit, dan ketidaksesuaian runner dianalisis.
16	Relevance of Analysis	Setiap analisis berkaitan langsung dengan keputusan desain Turbin Pelton dan tidak hanya bersifat teoritis.
17	Use of Data and Evidence	Data studi, asumsi desain, hasil perhitungan, dan keputusan desain dibedakan secara jelas.
18	Assumption Clarity	Parameter yang belum berasal dari pengukuran dinyatakan secara eksplisit sebagai asumsi desain.
19	Creativity and Innovation	Analisis menggabungkan hidrolik, velocity triangle, desain mekanik, efisiensi, studi parametrik, dan MATLAB.
20	Physical Realism	Hasil diperiksa dengan prinsip fisika melalui konservasi energi, jet ratio, speed ratio, gaya momentum, torsi, dan efisiensi.
21	Alignment with Intent	Konfigurasi turbin tetap diarahkan pada sistem yang sederhana, realistis, dan sesuai untuk mikrohidro skala desa.
22	Scalability and Adaptability	Desain dapat dihitung ulang apabila head, debit, RPM, atau kondisi lapangan berubah.
23	Simplicity and Elegance	Sistem menggunakan konfigurasi satu nozzle dan satu runner agar sederhana dalam analisis, operasi, dan perawatan.
24	Clarity of Steps	Perancangan dilakukan secara berurutan mulai dari penstock hingga validasi akhir.
25	Comprehensiveness	Analisis mencakup aspek hidrolik, mekanik, efisiensi, transmisi daya, water hammer, simulasi, dan evaluasi hasil.
26	Physical Interpretation	Setiap hasil penting dijelaskan makna fisiknya terhadap performa dan desain Turbin Pelton.
27	Error Minimization	Pembulatan tidak dilakukan terlalu dini, satuan dijaga konsisten, dan hasil diperiksa kembali setelah keputusan desain dibuat.
28	Verification and Validation	Hasil diperiksa melalui engineering design check dan dibandingkan dengan pendekatan momentum, daya, dan velocity triangle.
29	Iterative Approach	Jika hasil belum sesuai, parameter seperti diameter runner, RPM, nozzle, atau debit dapat diubah dan dihitung ulang.
30	Sustainability Integration	Rekomendasi mencakup debit lingkungan, pengukuran debit musiman, peningkatan efisiensi, dan pemanfaatan energi air secara berkelanjutan.
31	Communication Effectiveness	Hasil disajikan menggunakan paragraf, tabel, persamaan, grafik, velocity triangle, ilustrasi, dan kode MATLAB agar mudah dipahami.
32	Alignment with the DAI5 Framework	Proses perancangan mengikuti alur kesadaran, tujuan, pemahaman masalah, idealisasi, pelaksanaan, evaluasi, dan perbaikan.
33	Documentation Quality	Laporan disusun secara sistematis dengan perhitungan, tabel, grafik, referensi, validasi, MATLAB, dan lampiran pendukung.

---

Lampiran D. Kode MATLAB

Kode berikut sudah disesuaikan dengan laporan utama. Script menghasilkan tiga grafik Cartesian utama, velocity triangle, perhitungan efisiensi, dan ringkasan hasil. Script ini belum diklaim telah dijalankan di MATLAB.

%% ================================================================
% ANALISIS GRAFIK DAN VELOCITY TRIANGLE TURBIN PELTON
%
% Grafik 1 : Gross Head vs Power
% Grafik 2 : Flow Rate vs Power
% Grafik 3 : Speed Ratio vs Turbine Efficiency
% Grafik 4 : Inlet Velocity Triangle
% Grafik 5 : Outlet Velocity Triangle
%% ================================================================

clear;
clc;
close all;

%% ================================================================
%% DATA DESAIN UTAMA
%% ================================================================

% Kondisi sumber air
Hg = 50; % Gross head [m]
Q = 0.035; % Debit desain [m^3/s]

% Penstock
Lp = 120; % Panjang penstock [m]
Dp = 0.20; % Diameter penstock [m]
eps = 0.045e-3; % Kekasaran absolut [m]
Ksum = 2.5; % Total minor loss coefficient [-]

% Sifat air
rho = 1000; % Massa jenis air [kg/m^3]
g = 9.81; % Percepatan gravitasi [m/s^2]
nu = 1.0e-6; % Viskositas kinematik [m^2/s]

% Turbin Pelton
Cv = 0.98; % Coefficient of velocity
phi = 0.46; % Speed ratio
n = 600; % Putaran runner [rpm]
D = 0.450; % Diameter runner aktual [m]

% Efisiensi
eta_t = 0.85; % Efisiensi turbin desain
eta_g = 0.92; % Efisiensi generator
eta_m = 0.95; % Efisiensi mekanik asumsi

% Parameter velocity triangle
k_bucket = 0.90; % Koefisien kecepatan relatif bucket
beta_deg = 15; % Sudut deviasi outlet [degree]
beta = deg2rad(beta_deg);

%% ================================================================
%% PERHITUNGAN KONDISI DESAIN
%% ================================================================

% Luas penampang penstock
Ap = pi*Dp^2/4;

% Kecepatan aliran
Vp = Q/Ap;

% Reynolds number
Re = Vp*Dp/nu;

% Friction factor Swamee-Jain
f = 0.25 / …
(log10(eps/(3.7*Dp) + 5.74/(Re^0.9))^2);

% Major loss
hf = f*(Lp/Dp)(Vp^2/(2g));

% Minor loss
hm = Ksum*(Vp^2/(2*g));

% Total head loss
hL = hf + hm;

% Net head
Hnet = Hg – hL;

% Hydraulic power
Ph = rhogQ*Hnet;

% Mechanical power
Pm = eta_t*Ph;

% Electrical power
Pe = eta_g*Pm;

%% ================================================================
%% NOZZLE DAN RUNNER
%% ================================================================

% Kecepatan jet
V1 = Cvsqrt(2g*Hnet);

% Bucket velocity
U = piDn/60;

% Actual speed ratio
phi_actual = U/V1;

% Relative inlet velocity
Vr1 = V1 – U;

%% ================================================================
%% OUTLET VELOCITY TRIANGLE
%% ================================================================

% Relative outlet velocity
Vr2 = k_bucket*Vr1;

% Komponen relative outlet velocity
Vr2x = -Vr2cos(beta);
Vr2y = Vr2sin(beta);

% Komponen absolute outlet velocity
Vw2 = U + Vr2x;
Vf2 = Vr2y;

% Absolute outlet velocity
V2 = sqrt(Vw2^2 + Vf2^2);

%% ================================================================
%% GRAFIK 1
% GROSS HEAD VS POWER
%% ================================================================

Hg_range = linspace(20,60,100);

% Pada debit tetap, head loss penstock dianggap tetap
Hnet_H = Hg_range – hL;

Hnet_H(Hnet_H <= 0) = NaN;

% Hydraulic power
Ph_H = rhogQ.*Hnet_H;

% Mechanical power
Pm_H = eta_t.*Ph_H;

% Electrical power
Pe_H = eta_g.*Pm_H;

figure;

plot(Hg_range,Ph_H/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

hold on;

plot(Hg_range,Pm_H/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

plot(Hg_range,Pe_H/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

% Titik kondisi desain
plot(Hg,Ph/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

plot(Hg,Pm/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

plot(Hg,Pe/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

grid on;
box on;

xlabel(‘Gross Head, H_g (m)’);
ylabel(‘Power (kW)’);

title(‘Gross Head vs Pelton Turbine Power’);

legend(…
‘Hydraulic Power’,…
‘Mechanical Power’,…
‘Electrical Power’,…
‘Design Hydraulic Power’,…
‘Design Mechanical Power’,…
‘Design Electrical Power’,…
‘Location’,’best’);

%% ================================================================
%% GRAFIK 2
% FLOW RATE VS POWER
%% ================================================================

Q_range = linspace(0.015,0.050,150);

% Kecepatan penstock
Vp_Q = Q_range./Ap;

% Reynolds number
Re_Q = Vp_Q.*Dp./nu;

% Friction factor
f_Q = 0.25 ./ …
(log10(eps/(3.7*Dp) + …
5.74./(Re_Q.^0.9)).^2);

% Major loss
hf_Q = …
f_Q.(Lp/Dp).…
(Vp_Q.^2/(2*g));

% Minor loss
hm_Q = …
Ksum.…
(Vp_Q.^2/(2g));

% Net head
Hnet_Q = …
Hg – hf_Q – hm_Q;

% Hydraulic power
Ph_Q = …
rho*g.*Q_range.*Hnet_Q;

% Mechanical power
Pm_Q = eta_t.*Ph_Q;

% Electrical power
Pe_Q = eta_g.*Pm_Q;

figure;

plot(Q_range,Ph_Q/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

hold on;

plot(Q_range,Pm_Q/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

plot(Q_range,Pe_Q/1000,…
‘LineWidth’,1.8);

% Titik kondisi desain
plot(Q,Ph/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

plot(Q,Pm/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

plot(Q,Pe/1000,’o’,…
‘MarkerSize’,8,…
‘LineWidth’,1.5);

grid on;
box on;

xlabel(‘Flow Rate, Q (m^3/s)’);
ylabel(‘Power (kW)’);

title(‘Flow Rate vs Pelton Turbine Power’);

legend(…
‘Hydraulic Power’,…
‘Mechanical Power’,…
‘Electrical Power’,…
‘Design Hydraulic Power’,…
‘Design Mechanical Power’,…
‘Design Electrical Power’,…
‘Location’,’best’);

%% ================================================================
%% GRAFIK 3
% SPEED RATIO VS TURBINE EFFICIENCY
%% ================================================================

phi_range = linspace(0.15,0.70,300);

% Efisiensi runner dari velocity triangle
eta_runner_phi = …
2.phi_range.…
(1-phi_range).…
(1+k_bucketcos(beta));

% Efisiensi turbin
eta_t_phi = …
Cv^2 .* …
eta_runner_phi .* …
eta_m;

% Efisiensi pada kondisi aktual
eta_runner_actual = …
2phi_actual…
(1-phi_actual)…
(1+k_bucketcos(beta));

eta_t_actual = …
Cv^2 * …
eta_runner_actual * …
eta_m;

figure;

plot(…
phi_range,…
eta_t_phi*100,…
‘LineWidth’,1.8);

hold on;

% Titik operasi turbin aktual
plot(…
phi_actual,…
eta_t_actual*100,…
‘o’,…
‘MarkerSize’,9,…
‘LineWidth’,1.8);

% Garis efisiensi desain
yline(…
eta_t*100,…
‘–‘,…
‘Design Efficiency = 85%’,…
‘LineWidth’,1.2);

grid on;
box on;

xlabel(‘Speed Ratio, \phi = U/V_j’);
ylabel(‘Turbine Efficiency (%)’);

title(‘Speed Ratio vs Pelton Turbine Efficiency’);

legend(…
‘Velocity Triangle Model’,…
‘Actual Operating Point’,…
‘Location’,’best’);

%% ================================================================
%% GRAFIK 4
% INLET VELOCITY TRIANGLE
%% ================================================================

figure;

hold on;
grid on;
box on;
axis equal;

% ————————————————
% Bucket velocity U
% ————————————————

h1 = quiver(…
0,0,…
U,0,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% ————————————————
% Relative inlet velocity Vr1
% Dimulai dari ujung vector U
% ————————————————

h2 = quiver(…
U,0,…
Vr1,0,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% ————————————————
% Absolute inlet velocity V1
% ————————————————

h3 = quiver(…
0,0,…
V1,0,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% Label vector
text(…
U/2,…
0.8,…
‘U’,…
‘FontSize’,11);

text(…
U + Vr1/2,…
-1.0,…
‘V_{r1}’,…
‘FontSize’,11);

text(…
V1/2,…
1.8,…
‘V_1’,…
‘FontSize’,11);

xlabel(‘Tangential Velocity Component (m/s)’);
ylabel(‘Flow Velocity Component (m/s)’);

title(‘Inlet Velocity Triangle – Pelton Turbine’);

legend(…
[h1 h2 h3],…
‘Bucket Velocity U’,…
‘Relative Velocity V_{r1}’,…
‘Absolute Velocity V_1’,…
‘Location’,’best’);

xlim([-2 V1+5]);
ylim([-5 5]);

%% ================================================================
%% GRAFIK 5
% OUTLET VELOCITY TRIANGLE
%% ================================================================

figure;

hold on;
grid on;
box on;
axis equal;

% ————————————————
% Bucket velocity U
% ————————————————

h4 = quiver(…
0,0,…
U,0,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% ————————————————
% Relative outlet velocity Vr2
% ————————————————

h5 = quiver(…
U,0,…
Vr2x,Vr2y,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% ————————————————
% Absolute outlet velocity V2
% ————————————————

h6 = quiver(…
0,0,…
Vw2,Vf2,…
0,…
‘LineWidth’,2,…
‘MaxHeadSize’,0.15);

% Label U
text(…
U/2,…
-0.9,…
‘U’,…
‘FontSize’,11);

% Label Vr2
text(…
U + Vr2x/2,…
Vr2y/2 + 0.7,…
‘V_{r2}’,…
‘FontSize’,11);

% Label V2
text(…
Vw2/2 – 0.8,…
Vf2/2,…
‘V_2’,…
‘FontSize’,11);

xlabel(‘Tangential Velocity Component (m/s)’);
ylabel(‘Flow Velocity Component (m/s)’);

title(‘Outlet Velocity Triangle – Pelton Turbine’);

legend(…
[h4 h5 h6],…
‘Bucket Velocity U’,…
‘Relative Velocity V_{r2}’,…
‘Absolute Velocity V_2’,…
‘Location’,’best’);

xlim([-5 U+5]);
ylim([-2 Vr2+5]);

%% ================================================================
%% OUTPUT HASIL UTAMA
%% ================================================================

fprintf(‘\n’);
fprintf(‘====================================================\n’);
fprintf(‘ PELTON TURBINE GRAPH ANALYSIS\n’);
fprintf(‘====================================================\n’);

fprintf(‘\nDESIGN CONDITION\n’);

fprintf(‘Gross Head = %.3f m\n’,Hg);
fprintf(‘Net Head = %.3f m\n’,Hnet);
fprintf(‘Flow Rate = %.5f m^3/s\n’,Q);

fprintf(‘\nPOWER\n’);

fprintf(‘Hydraulic Power = %.3f kW\n’,…
Ph/1000);

fprintf(‘Mechanical Power = %.3f kW\n’,…
Pm/1000);

fprintf(‘Electrical Power = %.3f kW\n’,…
Pe/1000);

fprintf(‘\nVELOCITY TRIANGLE – INLET\n’);

fprintf(‘Absolute Velocity V1 = %.3f m/s\n’,V1);
fprintf(‘Bucket Velocity U = %.3f m/s\n’,U);
fprintf(‘Relative Velocity Vr1 = %.3f m/s\n’,Vr1);

fprintf(‘\nVELOCITY TRIANGLE – OUTLET\n’);

fprintf(‘Relative Velocity Vr2 = %.3f m/s\n’,Vr2);
fprintf(‘Whirl Velocity Vw2 = %.3f m/s\n’,Vw2);
fprintf(‘Flow Velocity Vf2 = %.3f m/s\n’,Vf2);
fprintf(‘Absolute Velocity V2 = %.3f m/s\n’,V2);

fprintf(‘\nEFFICIENCY\n’);

fprintf(‘Actual Speed Ratio = %.4f\n’,…
phi_actual);

fprintf(‘Calculated Efficiency = %.2f %%\n’,…
eta_t_actual*100);

fprintf(‘Design Efficiency = %.2f %%\n’,…
eta_t*100);

fprintf(‘====================================================\n’);

Demikian laporan tugas besar saya, saya ucapkan terima kasih.
وَالسَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ

---