Analisa Aliran Fluida dan Analisa Gaya Pada Fan Lifter dan Thruster Hovercraft

Transkripsi

1 PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS 1 Analisa Aliran Fluida dan Analisa Gaya Pada Fan Lifter dan Thruster Hovercraft R. Rendi Pramadiansyah S., dan Ir. Amiadji M.M, M.Sc., Irfan Syarif Arief ST, MT Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya amadji@its.ac.id, irfansya@its.ac.id Abstrak Hovercraft adalah suatu kendaraan yang berjalan di atas bantalan udara (air cushion). Hovercraft bekerja dengan dua prinsip utama yaitu mengangkat dan mendorong. Kinerja fan pada hovercraft amat mempengaruhi kinerja keseluruhan dari sistem angkat (lifter) maupun sistem dorong (thruster) hovercraft. Maka dari itu perlu dilakukan pemilihan centrifugal fan yang yang paling sesuai berdasarkan jumlah blade dan rpm yang paling baik. Simulasi di bantu program Numeca Fine TM /Turbo V, dengan model airfoil centrifugal fan sebagai lifter dan axial fan sebagai thruster, mendapatkan hasil bahwa Lift Force jumlah blade 15 pada lifter jauh lebih stabil dibanding variasi blade lain ketika dioperasikan pada putaran 15 sampai 19 RPM dan kembali meningkat pada RPM dan terus stabil hingga putaran maksimum 1 RPM. Sedangkan hubungan antara RPM dengan thrust force adalah berbanding lurus, dengan nilai thrust force terbesar ada pada variasi blade dengan pada pengoperasian 1 RPM dengan nilai efisiensi terbesar terjadi ketika beroperasi pada putaran 1 RPM. Karakteristik aliran fluida baik pada lifter maupun thruster adalah aliran turbulen dengan Reynolds Number diatas. Kata Kunci : hovercraft, centrifugal fan, airfoil H I. PENDAHULUAN overcraft memiliki beberapa kelebihan dibandingkan alat transportasi lainnya. Pada saat bergerak hovercraft berada diatas bantalan udara, maka hambatan yang dialami oleh hovercraft menjadi sangat kecil. Hal ini membuat hovercraft dapat beroperasi pada segala macam permukaan, tidak hanya rendahnya hambatan yang dialami terhadap bentuk medan kerjanya dan permukaan air, tetapi kemampuan ampibi yang unik yang membuat hovercraft dapat beroperasi pada macam-macam permukaan yang berbeda secara kontinu termasuk mencapai daerah pedalaman tanpa mengalami kendala akibat dangkalnya permukaan air sungai atau bebatuan yang banyak terdapat pada sungai-sungai Indonesia. Hovercraft TNI AL yang dijadikan objek penelitian ini bernama Lumba-Lumba, dan difungsikan untuk mengangkut pasukan dari kapal utama yang akan didaratkan. Pada saat bergabung dengan TNI AL, hovercraft ini di gunakan pada hampir setiap latihan operasi amfibi, seperti yang diadakan di Kaimana Papua, Sangata Kalimantan Timur dan beberapa operasi lainnya yang diadakan TNI AL. Kemudian kendaraan ini juga dapat digunakan untuk mobilisasi cepat VVIP Hovercraft bekerja dengan dua prinsip utama yaitu mengangkat dan mendorong. Mengangkat merupakan hal yang utama, karena prinsip dasar hovercraft berjalan tanpa menyentuh permukaan dengan kata lain kendaraan ini terangkat beberapa inci dari permukaan tanah ataupun rawa. Sistem gaya angkat (lifter) dan pengendali hovercraft ini memakai sistem centrifugal fan yang terhubung dengan hydraulic motor. Kinerja fan pada hovercraft amat mempengaruhi kinerja keseluruhan dari sistem angkat maupun sistem dorong hovercraft. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik aliran fluida untuk gaya angkat dan gaya dorong pada fan untuk Hovercraft Lumba- Lumba TNI AL dengan variasi jumlah blade serta memberitahukan pengoperasian RPM yang paling optimal. Simulasi dilakukan dengan menggunakan Numeca Fine TM /Turbo V. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Fan Fan merupakan salah satu jenis mesin fluida yang berfungsi untuk memindahkan fluida (udara) dengan arah dan kecepatan tertentu sesuai dengan karakteristik rotor (impeller) fan yang digunakan. Kapasitas udara yang mampu dipindahkan oleh fan sangat ditentukan oleh tipe fan, kecepatan putaran dan sistem penyaluran yang digunakan bersama fan itu sendiri. Kapasitas merupakan jumlah gas yang dipindahkan oleh fan tiap satuan waktu. Jika diukur dalam unit volume, maka kapasitas yang terjadi adalah kapasitas volumetrik yang biasanya dinotasikan dengan huruf Q dan kapasitas massa gas yang dipindahkan oleh fan adalah sebagai berikut: B. Efisiensi Fan m= p x Q (1) Efisiensi fan adalah perbandingan antara daya yang dipindahkan ke aliran udara dengan daya yang dikirimkan oleh motor ke fan. Daya aliran udara adalah hasil dari tekanan dan aliran, dikoreksi untuk konsistensi unit.. C. Sentrifugal Fan Untuk Lifter Disebut fan sentrifugal karena fan jenis ini mengalirkan udara dan daerah masukan (inlet) menuju daerah keluaran (outlet) dengan arah radial karena gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh putaran impeller. Selanjutnya udara yang secara radial terlempar keluar impeller dengan kecepatan dan tekanan tinggi kemudian masuk ke dalam casing fan yang berbentuk spiral. Untuk blade, digunakan jenis airfoil karena jenis ini memiliki nilai efisiensi lebih besar disbanding tipe yang lain.

2 PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS Tahapan Pengerjaan III. METODOLOGI Gambar Penampang Airfoil Jumlah daun yang paling sering digunakan digunakan adalah antara dan 1 tetapi bisa sampai 1 daun untuk ratio diameter d 1 / d yang besar atau sudut masuk daun yang besar β 1. Jumlah daun yang terlalu sedikit akan menyebabkan impeller tidak cukup mampu untuk menghasilkan performa sesuai dengan karakteristik geometriknya, sedangkan jumlah daun yang terlalu banyak justru akan mengurangi jumlah aliran-aliran yang dihasilkan dan juga menimbulkan losses yang lebih besar D. Thruster Sistem Untuk hovercraft ini menggunakan air propeller. Sebuah hovercraft yang berjalan dengan kecepatan (v) pada permukaan air akan menimbulkan gaya yang berlawanan arah berupa tahanan (R) yang menghambat laju dari hovercraft. E. Air Propeller Berdasarkan teori momentum untuk menentukan efisiensi air propeller maka harus ditentukan terlebih dahulu besar diameter, jumlah daun dan bentuk air propeller yang akan didesain. Metode desain yang telah lama dilakukan untuk propeller aircraft berdasarkan hasil interpretasi wind tunnel tes dan data dari bentuk aerofoil. Untuk non dimensional koefisien C T (koefisien thrust), C P (koefisien daya), C Q (koefisien torsi) dan J (advance ratio) ditentukan berdasarkan percobaan dalam wind tunnel dengan sudut blade pada % bagian propeller diameter dari center. C T = T / ρ a n D...() C Q = Q/ ρ a n D 5...() C P = P / ρ a n D 5...() J = V / nd...(5) Sedangkan hubungan untuk koefisien daya dan koefisien torsi dapat dirumuskan sebagai berikut : C P = ЛC Q IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN.1 Data Umum Hovercraft Dimensi Panjang struktur Lebar struktur Tinggi tidak hover Tinggi hover Panjang kabin Lebar kabin Performa Berat kosong Berat maksimum Daya angkut : 1 m : 5,9 m :, m :, -,5 m : 5, m :, m Kecepatan maksimum Kecepatan jelajah Kapasitas Tinggi rintangan keras Maksimum tinggi gelombang : 5 - kg : - kg : kg + liter (BBM) : knot : knot : personil + kru : cm : 1 cm Mesin Lift dan Thrust : HP Diesel DEUTZ Power Generator Number of Cylinders : Bore/Stroke ( mm ) : 1/15 Displacement ( I ) : 15, Compression Ratio : 1 Acc. To Power Category A1) :/1 (HP/RPM) Weight incl.keel cooling : 15 kg Fuel Consumption (at 5%) :. lb/hp - hr

3 PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS Propeler composites (") Fan Dimensi Engine Engine Type BFM115CP mm :blades : Centrifugal A B C D E Gambar.1 Engine Deutz Type BFM115CP Skirt Type : Open loop dan Multisegment Material : Rubberizing Nylon Kendali Rudder : bilah. Perhitungan Kebutuhan Lifter dan Thruster a. Penentuan Cushion Pressure ( P c ) P c = W/S c W = berat total hovercraft (N) = AUW x gravitasi = kg x 9. = N Sc = Luas Cushion Pressure (m ) = p x l = 1 x 5.9 =. m P c = N /. m =1.1 N/m = 1.1 Pa b. Penentuan Volume Udara Angkat (Q) Q Q' Sc (pc / a) Q =.15 S c =. m a = 1.5 kg / m P c = 1.1 Pa Q.15x. (x1.1/1.5) Q =.9 m /s c. Penentuan Diameter Impeller fan (D ) ux D xn u = 1 m/s =.1 n = 15 RPM D =1. ~ 1 m d. Penentuan Luas Impeller Disc (F) F xd =.1 D = 1 m.1x1 F =.1 m e. Penentuan Koefisien Volume Udara Fan (Q ) Q ' Q Fxu Q =.9 m /s F =.1 m u = 1 m/s.9 Q '.1x1 Q =. f. Penentuan Koefisien Tekanan Total Fan (H ) H =. g. Penentuan Tekanan Total Fan (H) H=H. ρ a. u ρ a = 1.5 kg/m u = 1 m/s H=. x 1.5 x 1 = 1.5 N/m..1 Perencanaan Lifter (Centrifugal Fan) a. Diameter Impeller Q =.9 m /s Q =. u = 1 m/s =.1 1,.5 Q' H ' N s Q =. N s =.5. H '.5 D D.5 1, xq Q' xu x x.9.x1x.1

4 PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS D =1.159 ~ 1 b. Diameter Impeller Daerah Input D 1 = (..) D =. x 1 =. m c. Lebar Daun Impeller b =. x D 1 =. x. =. m.. Perencanaan Thruster Berdasarkan data yang diperoleh, hovercraft ini menggunakan Fan thruster dengan: Diameter fan propeller = = 1.91 ~ m Jumlah Blade =.. Data yang Diperoleh dari Hasil Simulasi Variasi Pada tahap ini, diperoleh data dari hasil perhitungan yang dilakukan berdasarkan hasil simulasi dan dapat ditabulasikan pada tabel tabel berikut: a. Untuk lifter (Airfoil Centrifugal Fan) Tabel.1 Perolehan Lift Force Hasil variasi jumlah blade dan RPM pada lifter. BLA DE vs RPM LIFT FORCE (N) Tabel. Perolehan Efisiensi dari Hasil variasi jumlah blade dan RPM pada lifter. BLA EFISIENSI DE/R PM b. Untuk Thruster (Axial Fan) Tabel. Perolehan Thrust Force Hasil variasi jumlah blade dan RPM pada thruster BLADE /RPM 5 THRUST (N) Tabel. Perolehan Efisiensi dari Hasil variasi jumlah blade dan RPM pada thruster BLAD EFISIENSI E/RP M Pembahasan.5.1 Analisa Gaya Data-data yang ada didalam table.1,.,., dan. kemudian diplotkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui karakteristik dari masing-masing model yang telah divariasikan. Berikut adalah pembahasan dari keempat tabel tersebut. a. Untuk lifter (Airfoil Centrifugal Fan) Gambar. RPM vs Lift Force pada variasi Jumlah Blade

5 PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS 5 Pada grafik di atas dapat dilihat bahwa ada dua buah variasi blade yang menghasilkan lift force paling besar yaitu 1 blade dan 15 blade. Akan tetapi pada putaran RPM 1 blade mengalami penurunan lift force, sebaliknya 15 blade mengalami peningkatan lift force, dan secara keseluruhan variasi 15 blade lebih stabil ketika dioperasikan dalam putaran sedang sampai akhirnya di operasikan pada putaran tinggi (maksimum 1 RPM). Gambar.9 RPM vs Efisiensi pada variasi Jumlah Blade Pada grafik diatas, dapat dilihat bahwa secara keseluruhan variasi blade cenderung mengalami penurunan efisiensi. Akan tetapi untuk variasi 5 dan blade kembali mengalami peningkatan efisiensi seiring dengan pengoperasian pada putaran 1 RPM. Nilai efisiensi terbesar terjadi pada variasi blade dengan RPM 1. Gambar. RPM vs Efisiensi pada variasi Jumlah Blade Pada grafik efisiensi di atas, variasi jumlah blade 1 memiliki efisiensi paling tinggi dan relatif stabil sejak dioperasikan dari 15 RPM sampai 1 RPM. Pada variasi 1 blade yang memiliki lift force tinggi ternyata nilai efisiensinya berada di bawah variasi jumlah blade 1,15, dan 1. Sedangkan untuk jumlah blade 15, nilai efisiensinya berada pada posisi ke teratas, dimana sejak pengoperasian pada putaran 15 RPM sampai 19 RPM relatif stabil, akan tetapi memasuki putaran RPM mengalami penurunan efisiensi sebesar.11, dan nilai efisiensi sampai 1 RPM adalah sebesar. b. Untuk Thruster (Axial Fan).5. Analisa Aliran Fluida Diketahui: ρ= 1.9 kg/m µ=.1 Ns/m Hasil perhitungan berdasar data yang diambil dari simulasi adalah sebagai berikut: v LIFTER d (m) Inlet Wall Outlet v LIFTER d (m) Re Re Inlet Wall Outlet Berdasar hasil diatas, diketahui bahwa untuk lifter, aliran fluida secara keseluruhan memiliki karakteristik aliran turbulen, karena nilai Reynolds Number pada inlet=5, wall=5, outlet=155. Gambar. RPM vs Thrust pada variasi Jumlah Blade Pada grafik diatas, dapat dilihat bahwa kurva thrust terus bergerak naik berbanding lurus dengan semakin tingginya RPM. Nilai thrust terbesar ada pada variasi blade dengan 1 RPM. Begitu juga pada thruster, Reynolds Number pada inlet=11599, wall=191, dan outlet=1551 maka karakteristik aliran fluidanya adalah aliran turbulen. V. KESIMPULAN/RINGKASAN Lifter (airfoil centrifugal fan) dengan jumlah blade 15 dan thruster (axial Fan) dengan jumlah blade adalah yang paling optimal dan relatif stabil digunakan untuk menghasilkan lift dan thrust force dengan efisiensi yang terbaik selama dioperasikan pada 15 RPM sampai 1 RPM ( RPM maksimum). Sedangkan karakteristik pada lifter

6 PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS adalah berupa aliran turbulen dengan Reynolds Number pada inlet=5, wall=5, outlet=155. Dan pada thruster juga memiliki karakteristik aliran turbulen dengan Reynolds Number pada inlet=11599, wall=191, dan outlet=1551 UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada Allah SWT, atas segala curahan nikmat dan karunia kepada penulis. Juga kepada Ayah dan Ibu di kampung halaman atas segala doa disetiap sujud mereka. LAMPIRAN Gambar Hasil Simulasi Aliran Fluida Lifter: DAFTAR PUSTAKA [1] Rahim, Febri Razaqur (), Analisis Aliran Udara Yang Melalui Fan Dan Integrasinya Ke Dalam Sistem Circular Hovercraft Proto X-, Skripsi Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia : Jakarta. [] [] Yuliawan, Hendra Dwi (9), Perencanaan Sistem Thruster Dan Lifter Tipe Terpisah Untuk Hovercraft Militer Dengan Payload 15 Ton, Tugas Akhir Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK ITS : Surabaya. [] ft [5] [] Yun, Liang.. Theory And Design Of Air Cushion Craft.Arnold, A Member Of The Hodder Headline Group : London [] Bleier, Frank P. (199). Fan Handbook, Selection, Application, And Design. McGraw Hill Book Company. New York: USA Thruster: [] Bureau of Energy Efficiency (BEE), Government of India.(). Energy Efficiency Guide Book,chapter 5, p India. [9] Chun Lin, Sheam., & Chia Lieh Huang.(1). An Integrated Experimental and Numerical Study of Forward-Curved Centrifugal Fan. Experimental Paper Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology. Taipei: Taiwan, ROC [1] Ingram, Grant. (9). Basic Concepts in Turbomachinery.Ventus Publishing ApS:Durham. [11] Roosevelt, Avenue Franklin. (1). Tutorials FINE TM /Turbo v. NUMECA International : Belgium [1] 15/Karakteristik+Aliran+Fluida1.pdf