ANALISA PENGARUH PELETAKAN OVERLAPPING PROPELLER DENGAN PENDEKATAN CFD

Transkripsi

1 ANALISA PENGARUH PELETAKAN OVERLAPPING PROPELLER DENGAN PENDEKATAN CFD Mokhammad Fakhrur Rizal *) Ir. Tony Bambang Musriyadi, PGD **) Irfan Syarif Arief, ST. MT **) *) Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan **) Dosen Teknik Sistem Perkapalan Abstrak Overlapping merupakan salah satu jenis propulsi kapal yang memiliki letak tidak lazim, yakni salah satu propellernya berada dibelakang propeller yang lain. Tidak seperti twin screw propeller yang menggunakan dua buah propeller yang terletak sejajar antara propeller yang satu dan yang lainnya. Overlapping propeller dinilai mampu menghailkan thrust dan gaya lift yang besar sehingga dapat meningkatkan performa dari kapal itu sendiri. Perbedaan letak overlapping mengindikasikan perbedaan gaya lift dan thrust yang berbeda sehingga penulis disini ingin menganalisa effect perubahan letak overlapping propeller terhadap gaya lift dan thrust yang dihasilkan sehingga dapat diketahui diposisi mana diperopleh gaya lift dan thrust yang paling maksimal. dalam penganalisaan yang dilakukan, akan digunakan software CFD dimana akan dimodelkan overlapping propeller dan juga perubahan letak yang di variasikan baik letak secara melintang maupun secara memanjang. Dari variasi tersebut akan diketahui seberapa besar gaya lift dan thrust yang dihasilkan terhadap pengaruh peletakan overlapping propeller. Skripsi ini diharapkan dapat menjadi acuan untuk diterapkan didunia nyata terutama pada kapal kapal besar yang membutuhkan performa yang baik serta sebagai acuan penelitian penelitian selanjutnya. Keywords : Overlapping Propeller, Thrust, Lift BAB I PENDAHULUAN 1.1 PENDAHULUAN Perkembangan sistem propulsor kapal menunjukkan peningkatan yang signifikan, mulai dari kemampuan manouver yang handal, bentuk desain yang unik, dan berbagai inovasi lainnya. Salah satunya yang sudah dikenal dunia perkapalan adalah Overlapping Propellers. Keunikan pada propeller adalah terdapatnya dua buah propeller dimana kedudukannya tidak sama antara satu dengan yang lain. Salah satu propeller terletak dibelakang propeller yang satunya. Salah satu keuntungan dari

2 pemakaian sistem propeller model ini adalah diperolehnya efisiensi yang lebih tinggi di banding dengan penggunaan satu buah propeller. Konsep dari baling-baling ini adalah dua propeller tidak dipasang/diikat secara coaxially, tapi masing-masing propeller memiliki sumbu poros pada sistem perporosan yang terpisah. Sistem ini dalam prakteknya, adalah sangat jarang diaplikasikan. Meskipun efisiensi propulsi dari sistem ini adalah lebih tinggi dari single screw propeller, namun sistem ini sangat berpengaruh terhadap besarnya tingkat getaran dan kavitasi yang ditimbulkan.. Pada percobaan ini akan diuji jarak yang optimum pada kedua propeller tersebut agar dihasilkan effisiensi, thrust yang lebih baik dan juga tingkat kavitasi yang kecil. Perubahan kecepatan terhadap propeller itu sendiri juga akan dianalisis. Aliran fluida yang terjadi pada propeller tersebut akan dianalisa menggunakan metode CFD (Computational Fluid Dynamics) dan software yang digunakan adalah CFX di laboratorium Perancangan dan Rekayasa Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK ITS Surabaya. 1.3 BATASAN MASALAH Untuk menegaskan dan lebih memfokuskan permasalahan yang akan dianalisa dalam penelitian tugas akhir ini, maka akan dibatasi permasalahanpermasalahan yang akan dibahas sebagai berikut : a. Propeller yang digunakan adalah type B-series. b. Analisa pada keadaan open water c. Kondisi Overlapping Propeller akan dianalisa pada keadaan statis sesuai dengan jarak yang dikehendaki. d. Penelitian yang dilakukan dengan mengabaikan faktor aliran fluida dari lambung. e. Analisa biaya tidak diperhitungkan. f. VCR dan kapal dengan konventional rudder ditinjau dari interaksi terhadap propeller TUJUAN PENULISAN Di dalam Penulisan tugas akhir ini, penulis mempunyai tujuan untuk : a. Mengetahui seberapa besar pengaruh perubahan letak propeller pada OP terhadap thrust dan effisiensi yang dihasilkan. 1.2 PERUMUSAN MASALAH Permasalahan utama yang akan diteliti dalam percobaan ini adalah bagaimana menentukan sudut optimal blade CPP agar dihasilkan thrust yang besar. Detail permasalahan yang akan dianalisa pada tugas akhir ini adalah: a. Bagaimana menentukan thrust dan effisiensi yang terjadi dari Overlapping Propeller? b. Pada kondisi letak yang bagaimana akan dihasilakan thrust dan effisiensi yang optimal? c. Apakah design overlapping propeller yang kita buat tidak mengalami kavitasi? 1.4 MANFAAT TUGAS AKHIR Di harapkan Tugas Akhir ini akan memberikan Manfaat Sebagai berikut : a. Dapat mengetahui keuntungan OP dibandingkan dengan propeller single screw. b. Mengetahui dampak dari perubahan letak propeller dari OP secara ilmiah, sehingga dapat memprediksi konsekuensi yang diterima saat mengaplikasikan desain ini. c. Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya yang berhubungkan dengan penelitian ini.

3 II. DASAR TEORI Hidrodinamika propeller Dalam membuat bentuk dasar propeller dibutuhkan bentuk yang hidrodinamis yaitu yang dinamakan Hidrofoil dimana menghasilkan suatu lift yang lebih besar dibandingkan dengan drag-nya. Pergerakan dari hidrofoil ini terjadi pada suatu media fluida dengan kecepatan yang memungkinkan terjadinya hidrodinamika. Hidrodynamika adalah peristiwa di mana kecepatan antara bagian atas dan bawah hidrofoil terjadi perbedaan. Fluida yang melalui bagian atas airfoil melaju lebih cepat daripada fluida yang melewati bagian bawah. Hal ini disebabkan adanya perbedaan tekanan antara aliran fluida bagian atas dan aliran fluida bagian bawah. Seperti yang kita ketahui bahwa besarnya tekanan berbanding terbalik terhadap besarnya kecepatan. Sehingga yang terjadi adalah aliran fluida yang melalui bagian bawah hidrofoil lebih pelan bila dibandingkan bagian atas hidrofoil. Perbedaan tekanan yang terjadi inilah yang kemudian akhirnya menimbulkan fenomena lift atau gaya angkat itu. 2.2 Overlapping Propeller Overlapping propeller merupakan salah satu model penggerak kapal dimana terdapat dua buah propeller yang tidak memiliki letak yang sejajar. Propeller yang satu terletak dibelakang propeller yang lain. Konsep dari baling-baling ini adalah dua propeller tidak dipasang/diikat secara coaxially, tapi masingmasing propeller memiliki sumbu poros pada sistem perporosan yang terpisah. Sistem ini dalam prakteknya, adalah sangat jarang diaplikasikan. Meskipun efisiensi propulsi dari sistem ini adalah lebih tinggi dari single screw propeller, namun sistem ini sangat berpengaruh terhadap besarnya tingkat getaran dan kavitasi yang ditimbulkan. Pada percobaan kali ini akan di analisa letak propeller yang paling optimal. Jadi akan divariasikan letak secara melintang dan memanjang 2.3 Software Computational Fluid Dynamics (CFD) CFD adalah pemanfaatan komputer untuk menghasilkan informasi mengenai fluida yang mengalir pada kondisi tertentu. CFD juga dapat membuat prediksi aliran fluida dalam suatu sistem dengan kondisi yang ditentukan. Selain itu CFD lebih murah dan informatif daripada menggunakan eksperimen yang terbentur pada kemampuan alat ukur dan ketersediaan alat. CFD merupakan salah satu penyelesaian dalam teknik. Penyelesaian dalam teknik ada dua metode yaitu dengan simulasi dan dengan eksperimen. Kedua metode itu bersifat komplementer atau saling melengkapi. III. METODOLOGI Metodologi yang dipakai untuk penyelesaian tugas akhir ini secara lengkap dapat dilihat pada gambar dibawah dengan tahapan-tahapan seperti berikut :

4 Start Identifikasi Perumusan Masalah Studi Literatur 1. Pencarian Jurnal 2. Pengumpulan data T = 6,81 m H = 8,40 m Cb = 0,75 Pembuatan Model B mid Vs = 16,33 m = 12,5 Knots Model overlapping propeller Pengujian Model dengan Pendekatan CFD dan Pencatatan Data Single screw 4.2 Rudder Data data rudder diperoleh dari persamaan sebagai berikut: Validasi Model (rudder & Propeller) a. Luas permukaan rudder Hasil Bisa diterima Tidak TxL B A = 1+ 25x 100 L 2 Ya Variasi letak overlapping propeller Analisa Data dan Pembahasan 6,81x98,60 16,33 A = 1+ 25x ,60 2 Kesimpulan dan Saran IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum Dalam bab berikut ini akan dilakukan tahap analisa data berupa proses pemodelan dan simulasi pada propeller beserta pembahasannya. Pertama akan diuraikan proses penggambaran model dari data data yang diperoleh. Kemudian pada subbab berikutnya akan dilakukan proses simulasi dengan menggunakan metode CFD. Hasil dari proses simulasi akan digunakan sebagai parameter untuk melakukan perhitungan validasi dan proses variasi letak overlapping propeller pada subbab selanjutnya. Sehingga didapat hasil yang optimal dari proses simulasi variasi model letak overlapping yang dibuat. Adapun data data utama kapal yang dibutuhkan untuk proses penggambaran model dan simulasi pada percobaan ini direncanakan sebagai berikut : Lpp = 98,60 m End = 11,3 m. b. Dimensi rudder : Dimana, At = A = h x b H = tinggi kemudi b = lebar kemudi λ = rasio tinggi dan lebar kemudi, = 1,8 Gambar Dimensi kemudi h = λ x b 11.3 = 1,8 x b = 1,8 x b 2 b 2 = 11,3/1,8

5 b 2 = 6,29 b = 2,51 m = lebar kemudi dan,h = 1,8 x b = 1,8 x 2,51 = 4,51 m = tinggi kemudi Dari data diatas akan dibuat bentuk dan peletakan awal overlapping propeller. Serta beberapa variasi letak overlappingnya. Model single screw Model konvensional rudder 4.3 Propeller Data propeller yang digunakan : - Type : Propeller B-series - Diameter : 4,2 m - P/D : 0,8 - B.A.R : 0,55 - Blade : 4 blade - Revolution : 127 rpm Model overlapping Model Propeller 4.4 Overlapping Propeller 4.4 Simulasi Model propeller dan rudder yang telah dibuat pada subbab sebelumnya disimulasi dengan menggunakan software CFD. Data yang didapat dari proses simulasi nantinya juga digunakan sebagai validasi dengan menggunakan perhitungan matematis. Ada beberapa langkah yang harus dilakukan dan ditentukan pada proses simulasi dengan menggunakan software CFD ini, yaitu :

6 Domain Domain merupakan daerah batas atau ruang lingkup fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja. Pada simulasi ini akan dibuat dua domain yaitu domain rotating dan domain stationer dimana fluida yang bekerja pada kedua domain tersebut adalah air. Pada domain rotating, fluida kerja yang melewati suatu model akan berputar pada putaran tertentu. Dimana model yang termasuk kedalam domain rotating ini yaitu propeller. Pada simulasi ini direncanakan pada putaran propeller sebesar 127 Rpm. Sedangkan pada domain stationer, area yang meliputi ke dalam domain ini yaitu rudder. Aliran fluida yang bekerja pada saat melewati domain ini bergerak translasi. Inlet Pada simulasi digunakan dua inlet untuk dua jenis domain yang telah dibuat sebelumnya, yang pertama yaitu inlet untuk domain stationer dengan parameter input berupa V s (kecepatan dinas kapal) yaitu 12,5 knot atau 6,43 m/s. Sedangkan untuk inlet kedua adalah bagian domain rotating, input parameter yang digunakan adalah massflow rate dengan ketentuan berikut. Outlet Outlet merupakan bagian dari domain stationer dengan parameter yang dipakai adalah tekanan statis rata-rata sebesar 1 atm yang bersifat relative terhadap tekanan fluida pada domain. Wall Gambar domain boundary Boundary atau bisa juga disebut kondisi batas dibuat untuk mengetahui karakteristik benda dan fluida agar mendekati dengan kondisi yang sebenarnya. Pada simulasi ini, terlebih dahulu kedua model akan diletakkan dalam sebuah silinder sebagai pembatas aliran fluida yang akan dilewati. Wall merupakan dinding pembatas fluida kerja yang dikondisikan pada model percobaan. Silinder yang digunakan untuk meletakkan model propeller dan rudder berdiameter 6,4 m ditetapkan sebagai wall dengan parameter opening, dimana aliran fluida yang bekerja pada percobaan dianggap tidak akan memantul kembali ke dalam silinder jika mengenai silinder pembatas tersebut. Sedangakn model propeller dan rudder yang digunakan juga bertipe wall tetapi dengan parameter no slip yang artinya terdapat gesekan pada kedua model tersebut apabila dilewati fluida kerja. 4.5 Analisa Data Dari hasil pengujian CFD diperoleh data-data sebagai berikut : Kondisi batas yang dibentuk diantaranya berupa inlet yaitu sebagai saluran masuknya fluida, outlet sebagai saluran keluarnya fluida dan wall (dinding pembatas) yang digunakan sebagai boundary pada model (propeller dan rudder) serta silinder pembatas aliran fluida.

7 Tabel : Harga thrust pada variasi overlapping propeller Tabel : Harga lift pada variasi overlapping propeller Variasi Variasi jarak antar propeller secara memanjang terhadap diameter (a/c) jarak antar propeller secara melintang terhadap diameter propeller (b/c) thrust jarak antar propeller secara memanjang terhadap diameter (a/c) jarak antar propeller secara melintang terhadap diameter propeller (b/c) gaya dorong (% m) (% m) N (65%) 2.73 m (% m) (% m) N (65%) 2.73 m (25%) 1.05 m (75%) 3.15 m (85%) 3.57 m (25%) 1.05 m (75%) 3.15 m (85%) 3.57 m (95%) 3.99 m (95%) 3.99 m (65%) 2.73 m (65%) 2.73 m (50%) 2.1 m (75%) 3.15 m (85%) 3.57 m (50%) 2.1 m (75%) 3.15 m (85%) 3.57 m (95%) 3.99 m (95%) 3.99 m (65%) 2.73 m (65%) 2.73 m (75%) 3.15 m (75%) 3.15 m (85%) 3.57 m (75%) 3.15 m (75%) 3.15 m (85%) 3.57 m (95%) 3.99 m (95%) 3.99 m

8 Data visual dari hasil simulasi dapat dilihat pada gambar sebagai berikut : 4.6 Pembahasan dari table diatas maka dapat dibuat grafik sebagai berikut : Gambar - Kontur tekanan pada face Overlapping propeller, a/c = 25%. b/c = 65%. Gambar - Grafik hubungan gaya lift dengan perubahan letak overlapping pada a/c yang berbeda Gambar - Grafik hubungan thrust dengan perubahan letak overlapping pada a/c yang berbeda Gambar streamline aliran fluida pada overlapping, a/c = 25%. b/c = 65%. Dari grafik hubungan antara gaya lift dan perubahan letak untuk tiap tiap a/c dapat dilihat bahwa kecenderungan nilai lift meningkat seiring perubahan jarak a/c. semakin jauh nilai a/c maka nilai lift juga cenderung naik. Dari grafik hubungan antara thrust dan perubahan letak untuk tiap tiap a/c dapat dilihat bahwa kecenderungan nilai thrust menurun seiring perubahan jarak a/c. semakin jauh nilai a/c maka nilai lift juga cenderung turun. Dari grafik diatas di peroleh Gaya dorong atau thrust hasil variasi jarak overlapping yang paling besar adalah pada

9 kondisi (a/c) = (25%) 1,05 m dan (b/c) = (65%) 2,73 m yakni sebesar N atau ± 15 % dari single screw. Sedangkan untuk gaya angkat atau lift yang palin besar adalah pada kondisi (a/c) = (75%) 3,15 m dan (b/c) = (95%) 3,99 m yakni sebesar 69305,8 N atau ± 20 kali dari single screw. Dari hasil variasi yang dilakukan diketahui bahwa nilai thrust dan lift dari pengubahan letak overlapping propeller berbanding terbalik. V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Pengubahan peletakan overlapping propeller berpengaruh terhadap besarnya harga thrust dan juga lift. 2. Dari beberapa variasi peletakan overlapping propeller yang dilakukan maka didapat nilai thrust yang paling besar berada pada keadaan a/c = 25% - 1,05m dan b/c = 65% - 2,73m yakni sebesar N atau 15% lebih besar dibandingkan dengan single screw. 3. Untuk gaya lift yang paling besar terdapat pada a/c = 75% - 3,05mdan b/c = 0,95% - 3,99m atau 20 kalilebih besar dari single screw 4. Nilai thrust dan lift yang dihasilkan untuk masing masing variasi berbanding terbalik. Apabila nilai thrust yang dihasilkan besar maka nilai liftnya turun. 5. Pada gambar streamline aliran pada overlapping dapat dilihat bahwa arah aliran dari propeller lebih terpusat dibandingkan dengan single screw. 5.2 Saran 1. Memperbanyak jumlah iterasi baik pada proses penggambaran model (meshing) dan proses simulasi agar hasil yang didapatkan lebih maksimal. 2. Agar diperoleh hasil yang diperoleh lebih akurat akan lebih bagus jika thrust yang dihasilkan oleh propeller juga dihitung untuk dilakukan validasi. 3. Menambah variasi peletakan overlapping atau bahkan variasi baru dengan mengubah kecepatan salah satu propeller ataupun juga mengubah ukuran salah satu propeller sehinnga nantinya akan didapat nilai thrust dan lift yang berbeda sehingganantinya dapat diketahui mana yang terbaik yang bisa diterapkan. DAFTAR PUSTAKA Harlvald, Sv. Aa Tahanan dan Propulsi Kapal. Surabaya : Airlangga University Press Dwi Ananto, Galih (2008), Analisa Kemampuan Maneuvering Voith Cyclonoical Rudder Pada Kapal Single Screw Propeller Dengan Pendekatan CFD. Tugas Akhir Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK ITS : Surabaya. Lammeren, Van W.P.A Resisten, Propulsion and steering of ship. Netherlands : The Technical Publishing Company H. Stam- Harlem Pratama, Angjuang Adi Panji (2008), Optimasi Diameter dan Bentuk Azimuthing Propeller Terhadap Efisiensi Thrust dengan Pendekatan CFD, Tugas Akhir Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK ITS : Surabaya. dikunjungi 12 November /06/30/ the -basic - of-propeller/ dikunjungi 12 November 2009