## SINERGI Polmed : JURNAL ILMIAH TEKNIK MESIN
Homepage jurnal: http://ojs.polmed.ac.id/index.php/Sinergi/index

## ANALISIS  PROTOTYPE  TURBIN  PELTON  DENGAN  VARIASI
OPERASIONAL DI

## LABORATORIUM PENGUJIAN MESIN UNIVERSITAS DARMA AGUNG
Kristian Tarigan a , Saut Parsaoran Pardede a , Rasta a , Dewi Sholeha b* , Efrata Tarigan c
a Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Darma Agung, Jl. Dr.Td Pardede No 21 Petisah Hulu. Kecamatan Medan Baru Sumatera Utara
b Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Darma Agung, Jl. Dr.Td Pardede No 21 Petisah Hulu. Kecamatan Medan Baru Sumatera Utara
c Program Studi Teknologi Rekayasa Energi Terbarukan, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan, Jl. Almamater No.1, Padang Bulan, Kec. Medan Baru, Kota Medan, Sumatera Utara 2015, Indonesia *Corresponding Authors At: Alkhansadewi@Gmail.Com (Dewi S) Tel: +62853-6155-5506
I N F O A R T I K E L

## Riwayat artikel:
Diajukan pada 14 Januari 2024 Direvisi pada 05 Februari 2024 Disetujui pada 14 Februari 2024 Tersedia daring pada 02 Maret 2024
Kata kunci: PLTMH, Turbin Pelton, Ketinggian (Head), Kecepatan Aliran(V), Sudut Sudu, Nozzle, Perbaikan dan Pengoptimalan
Keywords: PLTMH, Pelton Turbine, Height (Head), Flow Speed (V), Blade Angle, Nozzle, Repair and Optimization
A B S T R A K
Salah satu pilihan untuk memanfaatkan sumber energi saat ini adalah pembangkit listrik tenaga air. Ini adalah salah satu jenis pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) terbaik  yang  dapat  dikembangkan  di  lingkungan  alam  Indonesia  karena  kebutuhan energi yang terus meningkat. Turbin pelton adalah salah satu jenis turbin air yang paling umum  digunakan.  Banyak  faktor  memengaruhi  kinerja  turbin  pelton.  Ketinggian (kepala), kecepatan aliran, sudut sudu, jumlah nozzle, kecepatan aliran, dan jumlah sudu adalah  semua  bagian  dari  ini.  Ketersediaan  fasilitas  yang  diperlukan  untuk  proses pembelajaran  di  perkuliahan  sangat  penting  dalam  konteks  pendidikan.  Untuk membandingkan  hasil  uji  dengan  hasil  teori,  diperlukan  alat  peraga  Turbin  Pelton Prototype.  Di  Laboratorium  Pengujian  Mesin  Universitas  Darma  Agung,  fungsi komponen  prototipe  Turbin  Pelton  harus  diperbaiki  dan  dioptimumkan.  Selanjutnya, variasi  pengoperasian  (ukuran  diameter  bukaan  nozzle)  dan  kecepatan  aliran  yang berbeda selama pengujian memengaruhi daya dan efisiensi kerja turbin
A B S T R A C T
Hydroelectric power plants are one alternative for making use of the energy sources that are now available. The demand for energy is expected to continue to rise, which is why this particular type of micro-hydro power plant (PLTMH) is considered to be among the most  suitable  options  for  development  in  Indonesia's  natural  environment.  There  are many different kinds of water turbines, but one of the more prevalent ones is the Pelton turbine.  The  performance  of  a  pelton  turbine  is  affected  by  a  whole  host  of  different elements. The height (head), flow velocity, blade angle, number of nozzles, flow velocity, and  number  of  blades  are  all  components  that  are  included  in  this  situation.  In  the framework of education, the provision of facilities that are necessary for the learning process in conjunction with lectures is of utmost importance. It is necessary to have a Pelton  Prototype  Turbine  prop  in  order  to  compare  the  results  of  the  tests  with  the theoretical  findings.  In  order  to  enhance  and  perfect  the  functionality  of  the  Pelton Turbine  prototype  components,  the  Darma  Agung  University  Machine  Testing Laboratory  is  responsible  for  further  development  and  optimisation.  In  addition,  the power  output  and  operational  efficiency  of  the  turbine  are  impacted  by  variations  in operation, such as the size of the nozzle opening diameter, as well as varied flow rates utilised during testing.

## 1. PENGANTAR
Kebutuhan energi meningkat terutama didaerah pedesaan yang belum terjangkau jaringan listrik dari PLN. Penggunaan sumber energi  terbarukan  seperti  tenaga  air  menjadi  sumber  potensial  (Putra,  2009).  Indonesia  memiliki  potensi  energi  air  yang  sangat  besar terutama berkaitan dengan pembangkit listrik tenaga air (PLTA) dan pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) . Energi potensial air dapat  dimanfaatkan  sebagai  pembangkit  listrik  dengan  memanfaatkan  tenaga  potensial  yang  tersedia  (potensi  air  terjun  dan  kecepatan aliran). Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah salah satu teknologi yang sudah terbukti tidak merusak lingkungan, menunjang diversifikasi  energi  sebagai  pemanfaatan  energi  terbarukan,  menunjang  program  pengurangan  penggunaan  BBM,  dan  sebagian  besar konstruksinya menggunakan material lokal (Irawan, 2014) . PLTA memanfaatkan energi potensial atau energi kinetik air. Untuk merubah
energi  potensial  maupun  kinetik  air  dibutuhkan  peralatan  misalnya  turbin  Pelton.Energi  Potensial  air  dipengaruhi  oleh  ketinggiannya, sedangkan energi kinetik dipengaruhi oleh kecepatan air tersebut (Hadimi dkk, 2006) . Pada saat ini dunia sedang mengalami krisis energi dan  khususnya  Indonesia  mengalami  krisis  energi  listrik  secara  nasional.  Listrik  merupakan  salah  satu  kebutuhan  hidup  manusia  yang primer, sehingga diperlukan suatu instalasi pembangkit tenaga listrik yang efisien. Berbagai macam jenis pembangkit listrik telah banyak dibuat mulai dari turbin gas, turbin uap, turbin air, kincir air dan solar cell dengan berbagai keuntungan dan kelebihan (Buyung, 2016). Turbin pelton adalah jenis turbin impuls yang memanfaatkan jatuh air (head) yang tinggi walaupun dengan debit air yang kecil, karena jenis turbin ini menggunakan nozel dalam bentuk pancaran air dan diterima oleh sudu-sudu turbin sehingga dapat berputar yang nantinya akan memutar poros generator sehingga menghasilkan energi listrik. Sudu berbentuk dua buah mangkok sebagai awal penerima pancaran air dari nozel. Pengaplikasian dengan turbin pelton menghasilkan daya yang besar dari pembangkitan dan menggunakan kontruksi  yang sederhana  (Idscribd,  2023).  Selain  itu,  mudah  dalam  perawatannya  dan  teknologi  yang  digunakan  sederhana  sehingga  mudah  untuk diterapkan didaerah terisolir (Saputra dkk, 2020). Manfaat dan tujuan dari penulisan ini pertama untuk mengetahui bagaimana unjuk kerja prototipe turbin pelton skala laboratorium dengan satu nozzle yang diposisikan 90 derajat terhadap kinerja turbin pelton yang kedua adalah untuk mencoba mengetahui daya dan efisiensi turbin dengan menggunakan berbagai diameter nozzle dan kecepatan aliran (Febryan, 2019).

## 1.1 Komponen Utama Turbin Pelton
Ada beberapa komponen turbin pelton, diantaranya; (1) Runner: Runner Turbin Pelton terdiri dari cakra dan sejumlah sudu yang terpasang di sekelilingnya. (2) Sudu: Sudu Turbin Pelton memiliki bentuk seperti mangkuk dengan bagian atas yang runcing dan bagian dalam yang melengkung kearah dalam. (3) Nozzle : Dalam turbin, nozzle mengubah tekanan air menjadi kecepatan. (4) Rumah Turbin:
Nozzle dan sakaligus dipasang di Rumah Turbin Pelton untuk melindungi turbin dari aktivitas fisik dan kimia di sekitarnya.

## 1.2 Parameter yang Mempengaruhi Kinerja Turbin Pelton
a. Menentukan Head Turbin
Untuk menghitung head turbin dengan berbagai pengaturan bukaan nozzle, gunakan rumus berikut:
h = 𝒑 𝝆.𝒈 (m/s 2 ) (1)
Dimana: p = tekanan terukur pada pressure gauge (N/m 2 ) ρ = massa jenis air (kg/m 3 ) g = koefisien gravitasi bumi (m/s 2 )

## b. Menentukan Kecepatan Aliran
Rumus berikut dapat digunakan untuk menghitung kecepatan mutlak semburan atau jet: Besarnya kecepatan air masuk nozzle dapat dihitung:
Q=A 1 .V 1 (2)
Dimana: Q  = kapasitas aliran (m 3 /s) A 1 = luas penampang pipa (m 2 ) = 𝝅 𝟒 d 1 (m 2 ) D 1 = diameter dalam pipa (m)
c. Kecepatan air keluar nozzle V 2
V 2 =η nozzle . √2. 𝑔. 𝐻𝑎 (3) Dimana: η nozzle = effisiensi nozzle (0,96 - 0,98) g
= koefisien gravitasi bumi (9,806 m/s2
Ha
= Head total tekan, = 𝑷 𝟏 𝛒 + V 1 /2gh Untuk head konstan
Ha =p 1 /g (4)

## d. Menghitung Daya pada Turbin
Daya hidraulik sebelum keluar nozzle, P 1
P 1 = γ.Q.H (5) P 1 = ρ.g.Q.H (watt) (6)
Dimana:
P 1 = Daya Air (Watt) γ = Berat spesifik fluida (N/m 3 ) = ρ.g ρ = massa jenis air ((kg/m 3 ) g = koefisien gravitasi bumi (m/s 2 )
Q = debit/kapasitas aliran (m 3 /s) H = head Turbin (m)
Daya mekanis turbin Pm = ρ.g.H (7) Daya yang dihasilkan Generator Pg = V.I 𝐜𝐨𝐬 𝝋 (8)
Dimana: Pm = Daya Mekanis Turbin (Watt) ρ = massa jenis air ((kg/m 3 ) g= koefisien gravitasi bumi (m/s 2 ) H = head Turbin (m) V = tegangan listrik I = kuat Arus (Amper) 𝝋 = factor daya diambil 0.9

## e. Putaran Spesifik Turbin
Putaran  standar  turbin  dapat  menghasilkan  1  HP  untuk  setiap  tinggi  jatuh  air  1  kaki,  yang  mendefinisikan  putaran  spesifik  sebagai persamaan berikut:
N s = 𝒏√𝑵 𝑯 𝟓/𝟒 (9)
f. Efisiensi Turbin
Efisiensi Nozzle
Perbandingan antara daya hidrolis sesudah kelura nozzle dengan daya hodrolis  sebelum keluar nozzle disebut efisiensi nozzle:
η nozzle = 𝑷𝟏 𝑷𝟐 (10)
Efisiensi Generator Perbandingan antara daya yang dihasilkan generator dengan daya mekanik turbin:
η g = 𝑷𝒈 𝑷𝒎 (11)
Efisiensi ini diperoleh setelah kehilangan daya pada roda turbin dimana hidrolis setelah keluar nozzle, P 2 digunakan memutar roda turbin. Poros yang berhubungan dengan roda turbin berputar sehingga menghasilkan daya mekanis P m . Ini tidak sama dengan P 2 yang disebabkan oleh gesekan dan penyebab-penyebab lainnya pada roda turbin, maka efisiensi roda turbin dapat dirumuskan:
η rt = 𝑷𝒎 𝑷𝟐 (12)

## g. Beberapa Persamaan Bernouli
Dalam suatu aliran air yang mengalir melalui pipa, besar energi aliran menurut bernouli adalah:
w = m.g.z + m. 𝒑 𝒑 + 𝒎. 𝒄 𝟐 𝟐 (13)
"Spesifik  Energi"  didefinisikan  sebagai  satuan  dalam  Nm/kg  ketika  jumlah  air  pada  aliran  diambil  tiap  1  kg  untuk  dihitung.  Hasilnya adalah:
W = g.z + 𝒑 𝒑 . 𝒄 𝟐 𝟐 = konstan Nm/kg (14)
Kemudian jika dibagi lagi dengan percepatan gravitasi g, akan didapat salah satu rumus dari persamaan bernouli yang mempunyai arti ketinggian:
E = z + 𝒑 𝝆.𝒈 + 𝒄 𝟐 𝟐𝒈 = konstan m

## 2. METODE

## 2.1 Desain Penelitian
Adapun jenis penelitian yang dilakukan penulis adalah metode studi kasus berdasarkan survei lapangan. Sehubungan dengan itu, untuk memperkuat analisis yang penulis lakukan, penulis melakukan observasi langsung dari Laboratorium Teknik Mesni Unersitas Darma Agung, yaitu Prototype Turbin Pelton. Analisis yang dilakukan penulis akan lebih akurat, karena diambil langsung dari sumbernya. Penulis tentunya membutuhkan berbagai macam sumber bacaan, guna menunjang skripsi yang sangat baik dan berdasarkan fakta, dengan cara membaca beberapa buku, jurnal ilmiah, skripsi orang lain, artikel-artikel bacaab baik dari buku maupun internet.

## 2.2 Alur Penelitian
Gambar 1. Diagram alir penelitian
Teknik  analisis  data  ini,  dimaksudkan  untuk  mempermudah  bagi  pembaca  dalam  memahami  isi  dari  penelitian  yang  dilakukan penulis. Pembahasan ini penulis menggambarkan peta pengerjaan ( mind map) analisis yang dilakukan penulis, dengan sebuah gambar peta yang terstruktur seperti gambar diatas. Berikut dibawah ini adalah keterangan gambar flowchart yang telah dibuat: Studi Pendahuluan. t ahap awal penelitian yaitu studi pendahuluan untuk menunjukan masalah yang ditemukan di Laboratium Teknik Mesin Universitas Darma Agung yaitu optimasi Prototype Turbin Pelton yang sudah lama tidak dioperasionalkan. Studi Literatur, k emudian memperkuat argument dan analisis yang dibuat. Tentunya selaku penulis Studi Literatur/Studi Kepustakaan dari berbagai sumber bacaan ataupun artikel-artikel yang dibutuhkan guna menunjang pengetahuan penulis mengenai analisis yang akan dibuat. Proses Perbaikan Prototype Turbin Pelton, penulis melakukan proses perbaikan prototype turbin pelton, mengingat tidak dapat dapat beroperasi dengan baik yang dimaksud sumber dari yang akan diteliti.
Survei Lapangan dan Pengujian Turbin, selaku penulis penting untuk melakukan survei lapangan dan pengujian turbin, tentunya akan  menguatkan  data  untuk  analisis  yang  penulis  lakukan  ini,  karena  bersifat  faktual  berdasarkan  penelitian  yang  dilakukan. Pengumpulan Data Analisis, berdasarkan hal diatas, penulis tiba saatnya untuk mengumpulkan data-data yang akan dibutuhkan guna mendukung penelitian yang dilakukan dengan melakukan pengujian terhadap turbin. Data yang didapat harus harus diolah dengan baik dan benar, agar sesuai dengan apa yang diharapkan penulis. Pengolahan Data/Analisis Pemecahan Masalah, hasil dari pengumpulan data  yang  berupa  perhitungan  akan  dianalisis,  dan  dilakukan  pemecahan  masalah,  lalu  diberikan  kesimpulan  terhadap  hasil  pengujian terhadap prototype turbin pelton. Pada tahap ini data benar-benar sudah matang, dengan demikian penyusunan laporan dikerjakan hingga tuntas  dan  sesuai  prosedur. Selesai, langkah  terakhir  menarik  kesimpulan  dari  hasil  penelitian  serta  saran  yang  diberikan  dari  hasil penelitian. Pada tahap ini penulis sudah benar menyelesaikan tugas akhir dan siap untuk dipertanggungjawabkan.

## 2.3 Alat dan Bahan
Ada beberapa alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini diantaranya adalah; (1) Prototype turbin, (2) Pompa atau sumber air, (3) Instrumentasi pengukuran laju aliran, tekanan dan suhu air, (4) Dynamometer , (5) Generator, (6) Panel control . Adapun bahan- bahan yang disiapkan, antara lain: Air, sensor dan kabel pengukuran, material konstruksi turbin, instrument pengukuran listrik, perangkat
pengukur kecepatan putar,catatan dan buku petunjuk serta kelengkapan keselamatan. Alat dan bahan tersebut digunakan untuk menunjang kegiatan penelitian ini, sehingga diharapkan tidak ada kendala yang berarti ketika penelitian sudah dijalankan.

## 2.4 Prosedur Percobaan
Pada tahap ini sangat diperlukan supaya data yang akan dicari dan diteliti didapatkan, serta memastikan kondisi alat berfungsi dengan normal. Beberapa tahap pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Prosedur Percobaan I Turbin Pelton dengan Debit Naik dan Tekanan Naik.
b. Prosedur Percobaan II Turbin Pelton dengan Debit Konstan dan Tekanan Konstan
c. Prosedur Percobaan III Turbin Pelton dengan Debit Konstan dan Tekanan Naik.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah melakukan analisis prototype turbin pelton dengan variasi operasional, maka didapatkan hasil seperti di bawah ini:
3.1 Data Percobaan Prototype Turbin Pelton dengan Debit (Q 1 ) Naik dan Tekanan (P 1) Naik
Tabel 1: Data Hasil Percobaan 1 P 1 (bar) Q 1 (m 3 /h) n (rpm) V (volt) I (Amp) P 2 (bar) 0,88 4,94 480 47 1,3 0,030 1,28 5,67 700 66 1,8 0,045 1,51 6,00 810 76 2,0 0,050 1,77 6,45 910 88 2,25 0,075 2,26 7,18 1.130 109 2,65 0,100
3.2 Data Percobaan Prototype Turbin Pelton dengan Debit (Q 1 ) Konstan dan Tekanan (P 1 ) Konstan
Tabel 2: Data Hasil Percobaan 2 n (rpm) V (volt) I (Amp) P 2 (bar) 1620 146 3,6 0,2 1570 146 3,6 0,3 1200 146 3,5 0,35 1160 141 3,4 0.365 1080 139 3,3 0,375
3.3 Data Percobaan III Prototype Turbin Pelton dengan Debit (Q 1 ) Konstan dan Tekanan (P 1 ) Naik
Tabel 3: Data Hasil Percobaan 3
P 1 (bar) Q 2 (m 3 /h) n (rpm) V (volt) I (Amp) Pg (bar) 3,03 8,00 830 120 3,0 0,325 3,84 8,00 1030 148 3,6 0,400 4,41 8,00 1070 169,5 4,1 0,450 4,48 8,00 1270 185 4,45 0,550 5,08 8,00 1320 192,5 4,6 0,600
Dari data analisis dan grafik, untuk Data Hasil Percobaan I, Percobaan II, dan Percobaan III diperoleh kesimpulan sebagai berikut: Pembebanan rotasi turbin terhadap generator tetap/Beban tetap  20%, debit dan Tekanan Naik berbanding lurus dengan  kenaikan Head (H) Turbin, kecepacatan air keluar nozzle (V2) dan Tegangan Listrik maupun Arus Listrik yang dihasilkan Generator (effisiensi generator (ηg)) semakin besar. Dari Data Percobaan I dengan Beban tetap 20%, Debit dan Tekanan Naik dengan Debit (Q1) = 7.18 m 3 /h dan Tekanan (P1) = 2,26 bar diperoleh Head (H) = 23,1 m. Dari Data Percobaan I dengan Beban tetap 20%, Debit dan Tekanan Naik diperoleh rata-rata Efisiensi Prototype Turbin Pelton (ηt) di Laboratorium Prestasi Teknik Mesin Universitas Darma Agung sebesar 98%. Pada Data II dengan Pembebanan Naik, Debit air dan Tekan Tetap dari analisis perhitungan yang dilakukan didapat Head Prototype Turbin Peton Kecepatan air keluar nozzle (V2) dan effisiensi turbin relative konstan  konstan, dan Tegangan listrik maupun Arus Listirk tidak berubah jauh. Dari Data Percobaan II dengan Pembebanan Naik, Debit air dan Tekan Tetap dengan Pembebanan rotasi turbin terhadap Generator sebesar 36% Debit (Q1) = 8,56 m 3 /h dan Tekanan (P1) = 3,28 bar diperoleh Head (H) = 33,69 m. Pada Data Percobaan III dengan Beban Tetap 40% dengan Debit air (Q) dan Tekanan (P) berubah-ubah dengan Debit (Q1) yang besar 10 m 3 /h berbanding lurus dengan Tekanan (P1) yang terbaca pada pressure gauge 5,09 bar dengan Head Turbin yang diperoleh dari perhitungan sebesar 52,01 m dan kecepatan air yang keluar nozzle (V2) = 31 m/s.

## 4. KESIMPULAN
Dari hasil percobaan dan analisis yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa, jika kapasitas air dinaikkan dan daya pompa tetap maka kecepatan air dalam pipa berkurang, Pertambahan putaran roda turbin selalu disebabkan oleh bertambahnya daya pompa. Semakin besarnya putaran roda turbin maka tegangan dan arus listrik yang dihasilkan generator semakin besar pula. Kesimpulan lainnya yang bisa diambil adalah putaran turbin yang semakin cepat, berbanding lurus dengan tekanan yang dihasilkan, sehingga sangat berpengaruh terhadap output yang dihasilkan oleh turbin itu sendiri, akan tetapi perlu secara rutin dilakukan perawatan supaya turbin yang digunakan selalu siap untuk digunakan dalam berbagai beban yang akan diterapkan pada turbin tersebut.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  dukungan,  dan  inspirasi  yang  diberikan  selama  proses  penelitian  ini.  Penghargaan  juga disampaikan kepada team di laboratorium dan mahasiswa yang sedang mengikuti pengujian alat  yang memberikan kontribusi berharga dalam  pelaksanaan  eksperimen.  Penulis  juga  mengakui  dukungan  dari  univeritas  darma  agung.  Semua  dukungan  ini  berperan  penting dalam kesuksesan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Buyung, S. (2016). Analisis Pengaruh Tinggi Jatuhnya Air (Head) Terhadap Daya Pembangkit Listrik Tenaga Micro Hydro Tipe Turbin Pelton. Garuda Kemdikbud . 6, 1-8.
Febryan, D. (2019). Rancang Bangun Turbin Pelton  Skala Lab untuk Mahasiswa. Sriwijaya: Perpustakaan Polsri. Hadimi, Supandi, & Rohermanto, A. (2006). Rancang Bangun Model Turbin Pelton Mini Sebagai Media Simulasi/Praktikum Mata Kuliah
Konversi Energi Dan Mekanika Fluida. Jurnal Ilmiah Semesta Teknika, 9,1, 16 – 24.
Id.scribd.com. (2023). Turbin Pelton Diakses pada tanggal tanggal 05 Agustus 2023 dari (https://www.slideshare.net/nevikurniasari/turbin- pelton-49668018.
Irawan,  D.  (2014).  Prototype  Turbin  Pelton  Sebagai  Energi  Alternatif  Mikrohidro  Di  Lampung. Jurnal  Program  Studi  Teknik  Mesin: Turbo, 3, 1, 1-6.
Putra,  A.A.G.  (2009).  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Mikrohydro  Menggunakan  Turbin  Pelton.  Tugas  Akhir  Universitas  Sanata  Dharma, Yogyakarta.
Purta,  A.B.E.  (2018).  Analisis  Perhitungan  Efisiensi  Daya  dengan  Mengukur  Besarnya  Ketinggian  (Head)  Air  yang  Jatuh  di  PLTA Saguling . Bandung: Perpustakaan UPI.
Saputra,  I.G.N.,  Jasa,  L.,  Wijaya,  I.W.A.  (2020).  Pengaruh  Jumlah  Sudu  Pada  Prototype  Pltmh  Dengan  Menggunakan  Turbin  Pelton Terhadap Efisiensi Yang Dihasilkan. Jurnal SPEKTRUM . 7 , 4, 162-171.