DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM PROPULSI DAN STAND ALONE SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL

Transkripsi

1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Tegnologi Industri Institut Tegnologi Sepuluh Nopember Surabaya DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM PROPULSI DAN STAND ALONE SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL M. Dakka Krisma Dwikade Dosen Pembimbing: Arif Wahjudi, ST., MT., Ph.D. Hendro Nurhadi, Dpil-Ing., Ph.D.

2 LATAR BELAKANG Ketergantungan produk Belum dilakukan penelitian Kenapa sebelumnya sistem propulsi?? Dalam cakupan teknik mesin

3 Penelitian Sebelumnya Firmansyah (2012) telah melakukan penelitian mengenai desain sistem propulsi berupa pemilihan propeller jenis CPP (Controllable Pitch Propeller) berdasarkan metode B-Screw Series, pemilihan spesifikasi prime mover dan sistem transmisi pada kapal Offshore Patrol Vessel 80. Dullens (2009) telah melakukan penelitian mengenai pemodelan matemaika komponen propeller type CPP (Controllable Pitch Propeller) berupa linear aktuator, servo hidrolik, makanisme CPP

4 RUMUSAN MASALAH SISTEM PROPULSI Bagaimana menentukan pemilihan komponen prime mover, transmission, dan propeller berikut analisa pemilihannya? SISTEM KONTROL PROPULSI Bagaimana memodelkan dan mendesain kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal??

5 BATASAN MASALAH Desain sistem propulsi berupa pemilihan spesifikasi prime mover, transmisi, dan propeller Prime mover berupa diesel engine, transmisi berupa redustion gerabox, dan propeller berupa cotrollable pitch propeller Desain sistem kontrol propulsi berupa Stand alone system Input kecepatan propeller dan pitch propeller Output kecepatan propeller, pitch propeller, dan kecepatan kapal Kondisi perairan dan gelombang laut diabaikan Simulasi dilakukan pada kondisi kondisi operasional kapal ahead Analisa simulasi pada sistem kontrol kecepatan propeller dan kontrol pitch propeller

6 TUJUAN DAN MANFAAT SISTEM PROPULSI KAPAL Memperoleh jenis komponen prime mover, transmission, dan propeller SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL Memperoleh desain dan model kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal

7 SEKILAS TENTANG SISTEM PROPULSI KAPAL [1] PROPELLER SISTEM TRANSMISI PRIME MOVER Controllable Pitch Propeller (CPP) Direct Drive Diesel Engine Fixed Pitch Propeller (FPP) Geared Drive Turbin Electrical Drive

8 SEKILAS TENTANG SISTEM PROPULSI KAPAL [2] DHP SHP BHPscr BHPmcr EHP Rt Vs Interaksi Propeller dan Lambung Kapal Kt Kq - J

9 SEKILAS TENTANG SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [1] CPP Pitch Control Diesel Engine Speed Control Platform Interaksi propeller dan lambung kapal untuk mencapai kecepatan servis

10 SEKILAS TENTANG SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [2] Konsep pengontrolan pitch

11 SEKILAS TENTANG SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [3] Konsep pengontrolan speed m fuel

12 METODOLOGI PENELITIAN [1] Diagram Alir Penelitian Kriteria Desain Konsep Desain

13

14 Kriteria Desain Misi kapal adalah kapal cepat patroli. Kecepatan desain kapal yang diinginkan adalah 30 knots. Kontrol yang akan diimplementasikan adalah stand alone system sehingga masing masing propulsi memiliki kontrol yang berdiri sendiri. Dimana antara satu propulsi dan propulsi yang lain bergerak sama. Input yang digunakan pada sistem kontrol ini adalah pitch dan kecepatan mesin yang diinginkan dengan keluaran kecepatan kapal. Kriteria sistem kontrol dengan settling time pitch propeller dan kecepatan propeller kurang dari 23 s.

15 Konsep Desain Sistem propulsi dan stand alone sistem kontrol propulsi dengan diesel engine sebagai prime mover, reduction gearbox sebagai transmission, dan controllable pitch propeller (cpp) sebagai propeller.

16 DESAIN SISTEM PROPULSI KAPAL

17

18 Pemilihan Prime Mover [1] Langkah Pemilihan: a. Perhitungan Delivered Horse Power (DHP) DDD = EEE PP b. Perhitungan Shaft Horse Power (SHP) SSS = DDD ηηηη c. Perhitungan Brake Horse Power service continuous rating (BHPscr) BBB SSS = SSS ηg d. Perhitungan Brake Horse Power maximum continuous rating (BHPmcr) BBB MMM = BBB SSS 0,85

19 Pemilihan Prime Mover [2] BHP MCR = 62127,54 hp = 46285,02 kw Karena twin screw propeller maka, daya masing masing engine Adalah 23142,5 kw Prime Mover Type Daya Kecepatan mesin : S.M.E.T. Pielstick 18 PC4-2B : kw : 600 rpm

20 Pemilihan Propeller Langkah Pemilihan: a. Menentukan Power Absorbtion (B P ) b. Pembacaan diagram B P -1 c. Menentukan nilai P/D dan δ 0 dari pembacaan diagram B P -δ. d. Menentukan nilai diameter optimum (D O ) dari pembacaan diagram B P -δ. e. Menentukan nilai Pitch Propeller (P O ) f. Menentukan nilai diameter behind ship (D B ) g. Menentukan nilai δ B h. Menghitung nilai (P/D) B i. Menentukan efisiensi masing masing type propeler

21 Pemilihan Propeller [1] Unit Type Propeller B5-45 B5-60 B5-75 B5-90 B5-105 Pemilihan propeller B Screw Series N. Engine (rpm) 600, , , , ,000 N. Propeller (rpm) 288, , , , ,184 Pd (kw) 18892, , , , ,160 Vs (knot) 30,000 30,000 30,000 30,000 30,000 Va (knot) 24,750 24,750 24,750 24,750 24,750 Bp 15,287 15,287 15,287 15,287 15,287 0,7139(Bp^2) 0,680 0,680 0,680 0,680 0,680 (P/D)o 0,965 0,945 0,950 0,980 1,030 1/Jo 1,465 1,490 1,490 1,465 1,430 δo 148, , , , ,810 Do (feet) 12,741 12,958 12,958 12,741 12,437 Db (feet) 12,104 12,311 12,311 12,104 11,815 (P/D)b 1,005 0,975 0,980 1,015 1,065 1/Jb 1,392 1,416 1,416 1,392 1,359 δb 140, , , , ,570 η 0,650 0,657 0,655 0,645 0,631

22 Pemilihan Propeller [2] Propeller Type propeller : B screw series Jumlah blade : 5 Ae/Ao : 0,6 Diameter : 12,311 feet = 3,752 m N. Propeller : 288,184 rpm Dengan pertimbangan memiliki efisiensi terbesar yaitu 65,7%.

23 Analisa Engine Propeller [1] Diagramn koefisien thrust VS koefisien advance

24 Analisa Engine Propeller [2] Pembacaan koefisien thrust, koefisien torque, Koefisien advance Pada diagram open water

25 Analisa Engine Propeller [3] Diagram beban propeller pada kondisi trial

26 Analisa Engine Propeller [4] Diagram beban propeller pada kondisi service

27 DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL

28

29 Konsep Desain Kontrol

30 Pemodelan Matematis [1] Kontrol pitch propeller Servo valve Servomotor hidrolika Crank I(s) E(s) = 1 LL + R Y(s) X(s) = K s θ(s) y(s) = 1 r X s I s = BB Ms 2 + CC + k

31 Pemodelan Matematis [2] Kontrol kecepatan propeller Servo valve Servomotor hidrolika Diesel engine I(s) E(s) = 1 LL + R Y(s) X(s) = K s n s = C 1. m s 1 + τ 1. s m C 2 C 1 T L X s I s = BB Ms 2 + CC + k

32 Pemodelan Matematis [3] Torsi propeller Koefisien Advance Grafik Kq Propeller torque J = VV n. D K Q = f( P D, J) Q = K Q. ρ. N 2. D 5 J = Q 3 VV + Q 4. n K Q = Q P 1 D + Q 2. J Q = Q 5 K Q + Q 6 n

33 Pemodelan Matematis [4] Gaya dorong propeller Koefisien Advance Grafik Koefisien Trust Propeller Thrust Thrust Deduction Factor VV J = n. D K T = f( P D, J) T = K T. ρ. n 2. D 4 T E T P = t J = T 3 VV + T 4. n K T = T P 1 D + T 2. J T = T 5 K T + T 6 n

34 Pemodelan Matematis [5] Dinamika kapal Kecepatan Kapal T R = m. a Kecepatan Advance VV V = (1 w)

35 Desain Kontrol Sistem Propulsi

36 Pemodelan Matlab-Simulink [1] Kontrol pitch propeller

37 Pemodelan Matlab-Simulink [2] Kontrol kecepatan propeller

38 Pemodelan Matlab-Simulink [3] Kontrol torsi propeller

39 Pemodelan Matlab-Simulink [4] Kontrol gaya dorong propeller

40 Pemodelan Matlab-Simulink [5] Kontrol dinamika kapal

41 ANALISA DAN PEMBAHASAN

42 Simulasi Loop Terbuka [1] Kontrol pitch propeller Input: - Unit step pada kondisi operasional pitch propeller 0,975 Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang diinginkan

43 Simulasi Loop Terbuka [2] Kontrol kecepatan propeller Input: - Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 4,8 m/s Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang diinginkan

44 Simulasi Loop Terbuka [3] Kontrol sistem propulsi Input: - Unit step pada kondisi operasional pitch propeller 0,975 - Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 0,975 Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang diinginkan

45 Simulasi Loop Tertutup [1] Kontrol pitch propeller Watak Respon PID Settling time 2,09 s Rise time 1,12 s Overshot 0,886 % Steady state error 0,01 Input: - Unit step pada kondisi operasional pitch propeller 0,975 Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang diinginkan

46 Simulasi Loop Tertutup [2] Kontrol kecepatan propeller Watak Respon PID Settling time 19 s Rise time 11,8 s Overshot 0,835 % Steady state error 0,03 Input: - Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 4,8 m/s Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang diinginkan

47 Simulasi Loop Tertutup [3] Kontrol sistem propulsi Watak Respon Settling time 30,61 s Rise time 15 s Overshot 0 % Steady state error 0 Input: - Unit step pada kondisi operasional pitch propeller 0,975 - Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 4,8 m/s Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang diinginkan

48 Analisa Kestabilan Sistem[1] Transfer fuction plant kontrol pitch propeller Transfer fuction plant dan controller dengan unity feedback Pole pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria kestabilan sistem stabil jika K<169 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±86,1

49 Analisa Kestabilan Sistem[2] Transfer fuction plant kontrol kecepatan propeller Transfer fuction plant dan controller dengan unity feedback Pole pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria kestabilan sistem stabil jika K<0,69 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±5,87

50 KESIMPULAN DAN SARAN

51 Kesimpulan Diperoleh komponen sistem propulsi kapal mesin diesel 2x23850 kw, gearbox rasio 2,082, dan controllable pitch propeller type screw series B5-60 dengan diameter 3,752 m. Kondisi operasional kapal pada kecepatan 30 knot didapatkan pada P/D 0,975 dan n 4,8 m/s. Diperoleh pemodelan sistem kontrol kecepatan kapal dan simulasi dengan nilai settling time memenuhi kriteria desain yaitu 19 s. Diperoleh pemodelan sistem kontrol pitch propeller dan simulasi dengan nilai settling time memenuhi kriteria desain yaitu 2,09 s. Diperoleh pemodelan sistem kontrol propulsi dan simulasi memenuhi kriteria desain kecepatan kapal 30 knots dengan settling time 30,61 s

52 Saran Pengembangan selanjutnya dapat dilakukan pemodelan kurva kombinasi pitch dan propeller sehingga didapatkan suatu sistem kontrol propulsi dengan masukan kecepatan kapal dan keluaran kecepatan kapal pada kondisi ahead dan astern dengan disturbance berupa gangguan laut.

53 Matur Nuwun Thanks You شكرا Dank u 谢谢 Cпасибо ありがとう gracias धन यव