Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 2, Agustus-Desember, 2020

## PERANCANGAN NOZZLE DAN SISTEM PERPIPAAN PADA TURBIN PELTON SKALA LABORATORIUM
YAFID EFFENDI 1 , ALI ROSYIDIN 2 , IBNU MAULANA 3
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Tangerang Jl. Perintis Kemerdekaan I/33 Cikokol-Tangerang E-Mail : yafid_effendi@yahoo.com

## ABSTRAK
Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin air yang cocok untuk daerah yang mempunyai tinggi jatuh (head) yang tinggi. Berdasarkan debit air dan head yang tinggi dari pompa yang ada, maka direncanakan sebuah rancang bangun turbin air jenis Pelton dalam skala laboratorium untuk pengujian. Perancangan  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  rangkaian  nozzle  yang  dibutuhkan  pada  turbin  pelton  dan memahami fungsi rangkaian sistem perpipaan yang dibutuhkan dalam pembuatan turbin pelton. Metode yang digunakan dalam perancangan ini adalah studi literatur, proses perencanaan, proses pendesainan, proses perancangan, proses perakitan dan simulasi. Metode cara kerja pada Turbin Pelton sendiri ialah dimana air yang berada pada bak penampung di hisap oleh pompa untuk di alirkan melalui perpipaan yang diberi katup sehingga laju aliran air dapat diatur sesuai dengan keinginan, kemudian diteruskan ke nozzle. Kemudian air yang  keluarkan  oleh  nozzle  digunakan  untuk  memutar  sudu  turbin  yang  selanjutnya  jatuh  kedalam  bak penampung agar selanjutnya kembali ke tahap awal sehingga terjadi sirkulasi . Dimana untuk memperoleh putaran  dan  daya  yang  maksimal,  dilakukan  perencanaan  nozzle  dan  sistem  perpipaan.  Berdasarkan potensi head yang berasal dari pompa 39 m didapatkan hasil perencanaan diameter jet dari nozzel sebesar 14,4  mm.  Turbin  Pelton  memakai  sistem  1  nozzle  dari  bahan  paduan  Aluminium  Al  6061-T6  yang menghasilkan kecepatan relative terhadap mangkok. Peralatan pengujian turbin Pelton memakai sistem perpipaan dari bahan Polyvinil chloride (PVC) berdiameter 25,4 mm . Kata Kunci : Turbin Pelton; Head; Nozzle; Pipa.

## ABSTRACT
The Pelton turbine is a type of water turbine that is suitable for areas that have a high head. Based on the water discharge and the high head of the existing pump, it is planned to design a Pelton type water turbine on a laboratory scale for testing. This design aims to determine the nozzle circuit needed on the Pelton turbine and understand the function of the piping system circuit needed in the manufacture of the Pelton turbine. The methods used in this design are literature study, planning process, design process, design process, assembly process and simulation. The method of working on the Pelton Turbine itself is where the water in the reservoir is sucked in by the pump to flow through a pipe that is given a valve so that the water flow rate can be adjusted as desired, then forwarded to the nozzle. Then the water released by the nozzle is used to rotate the turbine blades which then fall into the reservoir so that it then returns to the initial stage so that circulation occurs. Obtaining maximum rotation and power, nozzle and piping systems are planned. Based on the potential head coming from the 39 m pump, the results of the design of the jet diameter of the nozzle are 14.4 mm. The Pelton turbine uses a 1 nozzle system of Aluminum Al 6061-T6 alloy which produces speed relative to the bowl. The Pelton turbine test equipment uses a piping system made of Polyvinyl chloride (PVC) with a diameter of 25.4 mm.
Keywords : Turbin Pelton; Head; Nozzle; Pipa.

## 1. PENDAHULUAN
Pada saat ini, dunia mengalami krisis energi, karena seiring  berjalannya  waktu  energi  minyak  bumi jumlahnya semakin terbatas. Untuk menutupi sumber kekurangan minyak, dibutuhkan sumber energi baru dan  terbarukan  sebagai  pengganti.  Belakangan  ini sumber  energi  terbarukan  banyak  dikembangkan diantaranya  sumber  energi  yang  bersumber  dari
angin, biomassa, surya matahari, air, panas bumi, dan arus laut. (Lie Jasa, dkk., 2016).
Energi  terbarukan  ialah energi  yang  berasal dari "proses alam yang berkelanjutan". Konsep energi terbarukan mulai dikenal pada tahun 1970-an, sebagai upaya  untuk  mengimbangi  pengembangan  energi berbahan  bakar nuklir dan fosil.  Definisi  paling umum adalah sumber energi yang dapat dengan cepat
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 2, Agustus-Desember, 2020
dipulihkan  kembali  secara  alami,  dan  prosesnya berkelanjutan.
Salah  satu  sumber  energi  alternatif  yang masuk dalam perkembangan teknologi yang semakin maju ialah sumber energi air, dengan ditemukannya alat  yang  inovatif  yaitu  turbin  dengan  tipe  turbin pelton  yang  dapat  menghasilkaan  energi  listrik menggunakan  tenaga  air.  Prinsip  kerja  turbin  air adalah    mengkonversi  aliran  air  menjadi  daya.  Air yang  berada  pada  bak  penampung  di  hisap  oleh pompa untuk di alirkan melalui perpipaan yang diberi katup  sehingga  laju  aliran  air  dapat  diatur  sesuai dengan  keinginan,  kemudian  diteruskan  ke nozzle . Kemudian air yang keluarkan oleh nozzle digunakan untuk  memutar  sudu  turbin  yang  selanjutnya  jatuh kedalam bak penampung agar selanjutnya kembali ke tahap awal sehingga terjadi sirkulasi .
Berdasarkan  kondisi  tersebut  maka  peneliti bermaksud  meneliti    “ Perancangan  Nozzle  dan Sistem  Perpipaan  pada  Turbin  Pelton  Skala Laboratorium.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Adapun tahap-tahap perencanaan yang dilakukan  dalam  proses  pembuatan  rancang  bangun pembangkit  listrik  tenaga micro  hydro tipe  turbin pelton Skala laboratorium, diantaranya : 1. Studi Lapangan Mempelajari tubin pelton dan mekanismenya,  untuk  merancang  alat  turbin pelton  skala  laboratorium  ini  terlebih  dahulu dilakukan  pengamatan  dan  pembelajaran  dari turbin  pelton  yang  sudah  ada  untuk  pencariaan data.
2. Metode interview
Metode  interview,  yaitu  suatu  metode pengumpulan  data  dimana  penulis  mengadakan wawancara  secara  langsung  dengan  narasumber yang berkopeten dibidang ini.
3. Studi Literatur
Mempelajari literatur yang membantu dan mendukung  proses  manufaktur  dan  perakitan (assembling) turbin  pelton,  mempelajari  dasar rancangan elemen mesin, langkah-langkah kinerja dari turbin air, dan literatur lain yang mendukung. 4. Perencanaan dan Perancangan
Setelah  melakukan  pencarian  data  dan pembuatan konsep yang didapat dari literatur studi kepustakaan  dan  dilihat  dari  percobaan  tentang turbin  pelton  yang  sudah  ada,  maka  dapat direncanakan  elemen-elemen  dari  percancangan pembuatan  turbin.  Perencanaan  dan  perancang
adalah langkah awal dari pembuatan turbin pelton ini  harus  dilakukan  dengan  benar  agar  turbin pelton yang dibuat dapat bekerja secara maksimal. 5. Waktu Perencanaan dan Perancangan Waktu  perencanaan  dan  perancangan turbin  pelton  ini  dilakukan  selama  4  bulan  yang meliputi,  analisa  perencanaan,  perhitungan, pembuatan, perancangan dan pengambilan data.
Metode  pelaksanaan  yang  dikerjakan  pada saat pembuatan rancang rancang bangun pembangkit listrik  tenaga micro  hydro tippe  turbin  pelton  skala laboratorium, diantaranya :
1. Pencarian  Data dan Perhitungan
Pada  proses  pencarian  data  dan perhitungan  ini  dilakukan  agar  pada  saat perancangan dan pembuatan tubin pelton berjalan dengan  baik  dan  menghasilkan  alat  yang  bisa digunakan sesuai dengan tujuan untuk mempelajari tentang turbin pelton.
2. Perencanaan dan Perancangan Setelah  melakukan  pencarian  data  dan perhitungan untuk pembuatan turbin pelton skala laboratorium  ini  maka  ditentukan  konsep  dan perencaan yang meliputi diantaranya:
a. Perencanaan dan perancangan nozzle. Untuk sebuah perencanaan dan perancangan Nozzle, ada beberapa tahapan yang meliputi :
- Mengetahui terlebih dahulu spesifikasi / perincian dari pompa yang digunakan.
- Pendesainan  sebuah  gambar nozzle dalam bentuk 3D, ataupun drawing serta penyertaan ukuran.

## Gambar 1.  Spesifikasi Pompa
Spesifikasi  Pompa  Air  yang  digunakan  pada turbin pelton sebagai pendukung dalam perancangan sebuah nozzle , sebagai berikut: 1. Merk Pompa  = LEO
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 2, Agustus-Desember, 2020
P-ISSN: 2549- 5038   E-ISSN: 2580-4979
2. Kode Pompa  = CHm4-60 3. Pembuatan   = Indonesia 4. Alamat Email= www.leopumps.co.id 5. Debit air (Q)  = 83l/min = 0,00138 m³/s 6. Head (H) = 39 m
Gambar 2. Proses Design Assy Nozzle b. Perencanaan bucket (sudu) pada runner
c. Perencanaan disk.
d. Perencanaan poros.
e. Perencanaan pulley brake.
f. Perencanaan frame (rangka).
3. Proses Pembuatan Prosen  pembuatan  dilakukan  setelah semua  proses  perencanaan  dan  perancangan selesai, adapun proses pembuatan yang dilakukan diantanya:
a. Pembuatan frame (rangka).
b. Pembuatan disk .
c. Pembuatan poros dan bantalan.
d. Pembuatan pulley brake.
e. Pembuatan bak penampung air.
4. Proses Perakitan
Proses  perakitan  turbin  pelton  skala laboratorium dilakukan setelah proses pembuatan komponen sudah selesai, adapun tahap perakitan yang dilakukan diantarnya :
a. Mengatur  jarak runner dan  bak  penampung air.
b. Memasang bantalan dan poros pada rangka.
c. Memasang runner pada poros.
d. Memasang pulley brake pada poros.
e. Memasang cover runner dan nozzle.
f. Memasang  pompa  dan  pipa  pada  bak penampung air dan pada nozzle.
g. Memasang dan mengatur instalasi kelistrikan tubin pelton. 5. Pengujian dan Penyempurnaan Alat Pengujian alat dilakukan untuk
mengetahui apakah turbin pelton skala laboratorium  yang  sudah  dibuat  bekerja  dengan baik  sesuai  target  atau  tidak.  Setelah  dilakukan pengujan  alat  dilakukan  penyempurnaan  alat apabila  turbin  pelton  mengalami  masalah  dan hambatan pada proses pengujian.
Tahap-tahap  pengujian  alat  yang  dilakukan sebagai berikut:
a. Melihat seluruh elemen turbin pelton apakah sudah bekerja dengan baik.
b. Memastikan  putaran  turbin  apakah  sudah stabil.
c. Melakukan  pengecekan  pada  baut  dan  mur pengikat  runner  tidak  ada  yang  lepas  dan kendor.
6. Penulisan Laporan Penulisan laporan ini dilakukan bertahap dari  studi  lapangan,  perhitungan,  proses perencanaan,  perancangan,  pembuatan  dan  juga pengujian serta penyempurnaan alat.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Perencanaan Perancangan Nozzle Proses  perencanaan  perancangan nozzle dibutuhkan  perhitungan.  Proses  perhitungan  dari perencanaan  perancangan nozzle meliputi,  sebagai berikut :

## Perhitungan Daya Hidrolik
Sumber daya air yang tersedia berasal dari pompa air, maka didapatkan data : Debit air (Q) = 83 l/min = 0,00138 m³/s (debit  air  menggunakan debit pada spesifikasi pompa) Head (H) = 39 m Massa jenis air (ρ) = 1000 kg/m 3 Gravitasi (g) = 9,8 Maka, P = Q .ρ .g . H = 0,00138 . 1000 . 9,8 . 39
= 527,436 kg.m 2 /s 3 = 527,436 watt Perhitungan Pancaran Air 1. Kecepatan Pancaran Air
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 2, Agustus-Desember, 2020
P-ISSN: 2549- 5038   E-ISSN:
2580-4979
Diketahui :Gravitasi (𝑔) = 9,8 Head (H)       = 39 m Maka, c1 = $2 .  𝑔 . ℎ = √2 .  9,8 . 39 = √ 764,4 = 27,65 m/s
2. Kecepatan Tangensial Turbin Diketahui :Kecepatan Air (𝑐1) = 27,65 m/s Maka,
μ = !"
# = #$,&' # = 13,825 m/s 3. Luas permukaan pancaran air sebelum masuk nozzle (A) Diketahui : Kecepatan Air (𝑐1) = 27,65 m/s Debit air (Q) = 83 l/min = 0,00138 m³/s Maka,
A = ( !"
= ),))"*+ #$,&' = 0,00005 m 2
4. Diameter Pancar Air (d)
Diketahui : Head (H) = 39 m Debit air (Q) =  83  l/min  = 0,00138 m³/s
Maka,
𝑑 = 0,547 𝑄 √𝐻 𝑑 = 0,547 0,00138 √39 𝑑 = 0,547 0,00138 6,245 𝑑 = 0,54'0,00022
𝑑 = 0,54 . 0,015
𝑑 = 0,0081 m
Dari  perhitungan  diatas  diketahui  bahwa diameter pancar air yang ideal adalah 8,1 mm. Namun berdasarkan  pengujian  dan  pembuatan  yang  sudah dilakukan  dan  di  temukannya  sedikit  kendala  dari keluaran  air  yang  berdasar  pada  kualitas  pompa  air yang  tersedia  besar,  maka  di  simpulkan  bahwa minimum  diameter  untuk  perancangan  diameter pancar  air nozzle adalah  yang  tersedia  di  pasaran, dimana akan dipakai nozzle dengan pancaran air yang lebih besar, yaitu diameter ( d ) = 14,4 mm
Menentukan Material Nozzle Bahan nozzle memakai  Alumunium,  yang merupakan  logam  paduan  alumuium,  magnesium, dan  silikon  ( Al-Mg-Si ).  Bahan  ini  dipilih  karena memiliki  daya  tahan  yang  baik,  mudah  untuk dibentuk,  mampu  mesin,  serta  memiliki  ketahanan korosi.  Sedangkan  khusus  pada  komponen  yang berada di dalam nozzle yakni spear (tombak/jarum) dan needle  spear memakai  bahan  dari  kuningan . Bahan  kuningan  jenis  ini  memiliki  kekuatan  yang sangat  tinggi,  sangat  baik  pada  kondisi hot  work , mudah dibetuk, tahan korosi.
Gambar 2.  Material Nozzle 1 Gambar 2.  Material Nozzle 2 Nozzle Komponen Nozzle
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 2, Agustus-Desember, 2020

## Gambar 3.  Material Nozzle 3

## 3.2 Perancangan Sistem Perpipaan Pemilihan Material Perpipaan
Material perpipaan yang dipakai sebagai pipa saluran turbin dari bak penampung ke nozzle turbinn pelton  adalah  pipa  PVC  ( polyvinil  chlorida ).  Pipa jenis ini terbuat dari fiber yang lebih ringan dan lentur sehingga  mudah  dalam  pemasangan  dan  perbaikan. Material PVC tidak berkarat dan cukup kuat menahan tekanan air.

## Pemilihan Diameter Perpipaan (d)
Diameter  pipa  dan  kecepatan  aliran merupakan  dua  parameter  yang  selalu  ada  dalam sistem  pemompaan.  Untuk  menghitung  dua parameter tersebut digunakan persamaan berikut. Di = 3,9. Q . 0,45 .ρ 0,13 , Dimana Q = 0,00138 m³/s = 4,97m 3 /jam Di = 3,9 x (4,97 0,45 .1000 0,13 ) Di = 3,9 x (2,057. 2,455) Di = 19,7mm Berdasarkan  perhitungan  diatas  diameter pipa  yang  diperlukan  minimal  sebesar  19,7  mm. Dalam perancangan ini saluran dari discharge pompa akan memakai pipa PVC ukuran 1” yang mempunyai diameter dalam ( d ) =25,4 mm.

## Rancangan Perpipaan
Adapun rancangan pipa yang sudah di design serta  di  rakit  pada  alat  turbin  pelton  skala laboratorium ini, sudah di lakukan test uji coba aliran air  dari  mulai  bak  penampung  hingga  sampai  pada nozzle yang  mengeluarkan  air  aliran  tersebut  tepat pada  sepanjang  sudu  ( bucket )  hingga  menghasilkan tekanan  dan  memutar  serta  menghasilkan  daya. Selama  air  mengalir  di  sepanjang  sudu-sudu  turbin tidak  terjadi  penurunan  tekanan,  sedangkan perubahan  seluruhnya  terjadi  pada  bagian  pengarah pancaran atau Nozzle .
Gambar 4. Rancangan Perpipaan
Gambar 5. Sirkulasi Air Mengalir

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  perancangan  alat  turbin pelton skala laboratorium yang sudah dikerjakan dan data-data  yang  sudah  diambil  dari  hasil  alat  yang sudah  selesai,  maka  dapat  disimpulkan  sebagai berikut:
1. Pada perancangan pembuatan nozzle pada turbin pelton  skala  laboratorium,  maka  langkah  awal yaitu  melakukan  analisa  perhitungan  seperti menghitung  daya  hidrolik,  perhitungan  pancaran air,  perhitungan  penentuan  dimensi nozzle , pemilihan material nozzle , perhitungan penempatan nozzle pada turbin, serta yang terakhir
Material Bahan Alumunium Material Bahan Kuningan ASSY NOZZLE Air pada bak penampung Pompa menghisap air di bak penampung Air mengalir dari pipa mennuju rotameter Setelahnya air mengalir kembali menuju nozzle Air kemudian di semprotkan ke sudu Turbin
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 2, Agustus-Desember, 2020
pendesainan  menggunakan  software  solid  work. Maka  diameter nozzle yang  dipakai  pada  turbin pelton  adalah  14,4  mm  dan  bahan nozzle yang digunakan memakai logam paduan almunium. 2. Sedangkan  sistem  perpipaan  pada  turbin  pelton skala laboratorium, langkah awal yang dilakukan yaitu  pada  pemilihan  material  perpipaan, pemilihan  diameter  perpipaan,  serta  penentuan rancangan perpipaan. Maka yang dipakai sebagai saluran  air  dalam  simulasi  turbin  pelton  adalah pipa  berbahan Polyvinil  Chlorida (PVC) berdiameter 25,4 mm (1 inch).

## DAFTAR PUSTAKA
Anjar  Susatyo,  Lukman  Hakim.  2003.  Perancangan Turbin  Pelton.Bandung:  Puslit  Tenaga Listrik dan Mekatronik-LIPI.
Himran  Syukri.  2017. Turbin  Air-Teori  dan  Dasar Perencanaan. Yogyakarta; Andi
Irawan dwi. Prototype Turbin Pelton Sebagai Energi Alternatif  Mikrohidro  Di  Lampung. Jurnal Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Metro, Vol 3 No. 1. ISSN  2301-6663 Jasa  Lie.  dkk.  2017. Mikro  Hidro. Yogyakarta; Teknosain Kurniawan Yani, Ismail. Pengaruh Jarak Dan Posisi Nozzle  Terhadap  Daya  Turbin  Pelton. Jurnal Teknik Mesin, Universitas Pancasila,
Vol 5 No 3 2017. ISSN 2407-0475.
Mafruddin Mafruddin, Rully Meygi Irawan, Nanang Setiawan,  Nurlaila  Rajabiah,  Dwi  Irawan. Pengaruh jumlah sudu dan diameter nozel terhadap  kinerja  turbin  pelton .  Jurnal Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Metro, Vol 8 No 2 2019. ISSN 2301-6663. Maridjo,  Bambang  Puguh,  Siameto,  Budi  Suharto, Abdulrahman. Rancang  Bangun  Turbin Pelton  Mikrohidro. Jurnal  Teknik  Energi, Vol 6 No 2 April 2016. ISSN 2089-2527.
Mubarok  Ahmad  Samil,  M  Yusuf  Djeli,  Mugisidi. Pengaruh  Berat Bucket Terhadap  Putaran dan  Torsi  Pada  Turbin  Pelton.  Program
Studi Teknik Mesin,
Faculty of
Engineering Universitas  Muhammadiyah Prof DR. HAMKA. Vol. 2, 2017. ISSN No. 2502-8782.
Muhammad Saleh Simamora. Perancangan Alat Uji Prestasi  Turbin  Pelton .  Jurnal  Teknik Mesin, Universitas Pasir Pangaraian. Paryatmo  Wibowo.  2007. Turbin  Air. Yogyakarta; Graha Ilmu Prihastuty Endang, Heru Dwi Fahmadi. Perancangan Nossel  dan  Sistem  Perpipaan  Pada  Turbin Pelton.Jurnal Teknik Mesin, Universitas 17 Agustus 1945 Cirebon, Vol 10 No 1 April Tahun 2015, 10-17.
Septiadi  Rully.  Optimasi  Desain  Turbin  Pelton
Menggunakan  3  Nozzle  Dan  Variasi Kemiringan Sudu Hingga 150 Menggunakan  Metode  Taguchi.  Jurnal Ilmiah TEKNOBIZVol. 9 No. 1.
Setiawan  Parta  – Pengertian  Energi,  Perubahan, Bentuk,  Sifat,  Fungsi  –  Kamis,  13 Agustus 2020 – https://www.gurupendidikan.co.id/penge rtian-energi/