PERBANDINGAN HASIL RANCANGAN BALING-BALING PADA METODE CROUCH DAN METODE BP-δ UNTUK KAPAL IKAN 30 GT Rizky Novian Nugraha 1, Edo Yunardo 1, Hadi Tresno Wibowo 2 1.Teknik Perkapalan, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia 2.Teknik Perkapalan, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia Abstrak Dalam merancang sebuah baling-baling ada dua metode yang umum digunakan, yaitu metode Crouch dan metode Bp-δ. Perbedaan kedua metode itu terletak pada proses perhitungannya. Pada metode Crouch proses perhitungan lebih kepada pendekatan rumus-rumus empiris, sedangkan pada metode Bp-δ proses perhitungan lebih banyak berdasarkan diagramdiagram Bp-δ. Penelitian ini bertujuan untuk membandingkan kedua metode tersebut, mana yang bisa menghasilkan efisiensi yang tinggi pada rancangan baling-baling untuk kapal ikan 30 GT. Berdasarkan hasil analisis, pada metode Crouch, nilai efisiensi maksimum yang bisa didapat adalah berada pada nilai 56%, sedangkan pada metode Bp-δ hanya berada pada nilai 48%. Pada metode Crouch faktor yang mempengaruhi efisiensi adalah nilai slip, sedangkan pada metode Bp-δ faktor yang mempengaruhi adalah nilai Bp. Abstract Comparison of Propeller Design on Crouch s Method and Bp-δ s Method for Fishing Vessel 30 GT. This study aimed to compare where method of designing propeller between Crouch s method or Bp-δ s method that can generate high efficiency for fishing vessel propeller. Based on the analysis, on the Crouch method, the value of the maximum efficiency that can be obtained is 56%, whereas the method of Bp-δ only be at 48%. On the Crouch method, factor that affects efficiency is the value of slip, whereas the method of Bp-δ, the factor is the value of Bp. Key words: BP- δ, Crouch, design, fishing vessel, propeller Nomenclature Luas bentang daun, m 2 Luas bentang daun minimum, m 2 Lebar kapal, m " Faktor pada metode Bp-δ "#$%" diameter efektif, m "#$ diameter maksimum, m putaran baling-baling, rpm Pitch, m Tekanan, N/m 2 Daya poros, Watt Hambatan total kapal, N Slip nyata Tinggi sarat kapal, m "# Jarak sumbu poros ke permukaan air, m Kecepatan maju baling-baling, m/s Kecepatan kapal, m/s delta (faktor pada metode Bp-δ) Efisiensi baling-baling " Efisiensi total kapal
1. Pendahuluan Kapal membutuhkan gaya dorong untuk dapat membuatnya bergerak, salah satu komponen penggerak kapal yang dikenal selama ini adalah propeller atau baling-baling. Perusahaan yang bergerak pada perancangan baling-baling kapal di Indonesia ini masih sedikit dan tenaga ahlinya pun terbatas. Beberapa perusahaan perancangan baling-baling hanya menerima pesanan baling-baling untuk kapal-kapal besar. Karena sifatnya pemesanan dan pribadi, sudah tentu biayanya sangat mahal. Hal ini sangat memberatkan para pelaku usaha kecil yang notabennya hanya memiliki kapal yang berukuran kecil, seperti nelayan. Oleh karenanya, banyak para nelayan yang lebih memilih baling-baling yang dijual oleh perusahaan pengecoran logam ketimbang harus memesan pada perusahaan perancangan baling-baling. Pembelian baling-baling oleh para nelayan dari perusahaan pengecoran logam bukan berarti tidak beresiko. Baling-baling untuk setiap kapal sejatinya tidaklah sama. Hal ini disebabkan setiap kapal memiliki bentuk dan tujuan yang berbeda. Mungkin untuk kapal dengan jenis yang sama dan bentuk yang tidak jauh berbeda, balingbaling masih bisa digunakan satu dengan yang lainnya. Akan tetapi, baling-baling itu tidak akan bisa bekerja secara optimal seperti pada kapal yang memang balingbaling tersebut dirancang khusus untuknya. Berdasarkan hal itu, maka bagaimana halnya dengan baling-baling yang dijual oleh perusahaan pengecoran logam? disamping ketidakjelasan kecocokannya, juga beresiko merugikan pembelinya karena baling-baling tersebut tidak bisa bekerja secara optimal. Hal inilah yang menjadi penyebab besarnya biaya operasional bagi para nelayan. Perancangan model baling-baling yang bisa digunakan secara komersil bisa menjadi solusi bagi para nelayan untuk bisa menekan biaya operasional kapalnya. Model baling-baling yang dirancang tersebut nantinya diharapkan bisa menjadi patokan bagi para nelayan dalam memilih balingbaling untuk kapalnya. Hal ini akan lebih aman karena model yang digunakan sudah dipastikan kecocokannya dengan kapal, sehingga para nelayan hanya tinggal mengikuti bentuk model tersebut. Model tersebut nantinya bisa diberikan pada perusaahan pengecoran logam dan kemudian dicetak. Dalam merancang sebuah baling-baling ada dua metode yang umum digunakan, yaitu metode Crouch dan metode Bp-δ. Perbedaan kedua metode itu terletak pada proses perhitungannya. Pada metode Crouch proses perhitungan lebih kepada pendekatan rumusrumus empiris, sedangkan pada metode Bp-δ proses perhitungan lebih banyak berdasarkan diagramdiagram Bp-δ [1]. Beberapa ahli baling-baling sekarang ini lebih menggunakan metode Crouch sebagai estimasi kasar dalam merancang baling-baling, sedangkan metode Bp-δ digunakan untuk mendapatkan hasil rancangan yang lebih spesifik [2]. Secara umum tujuan penelitian ini adalah ingin membandingkan hasil rancangan baling-baling dari kedua metode tersebut, mana yang paling baik dan bisa digunakan pada kapal ikan. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan bentuk rancangan baling-baling yang sesuai dan bisa diaplikasikan pada kapal ikan para nelayan di Indonesia. 2. Metodologi Secara keseluruhan metodologi yang dilakukan dalam penelitian ini adalah melalui pendekatan studi literatur dari buku-buku tentang perancangan baling-baling kapal. Perhitungan-perhitungan yang dilakukan hanya berdasarkan perhitungan dari segi analitis. Hasil perhitungan tersebut yang nantinya akan dibandingkan baik dalam berupa tabel maupun grafik. Pada penelitian ini digunakan kapal ikan 30 GT dengan panjang garis air 18 m, lebar 4.6 m, tinggi sarat 1.2 m dan spesifikasi mesin yang digunakan berdaya 170 HP pada putaran mesin 1500 rpm. Perencanaan jumlah baling-baling yang digunakan adalah single screw (baling-baling tunggal). Gambar 1. Kapal yang digunakan untuk proses perancangan baling-baling Perhitungan awal yang dilakukan dalam penelitian ini adalah perhitungan nilai hambatan kapal, tujuannya untuk mengetahui berapa kecepatan maksimum kapal yang bisa ditempuh pada daya mesin yang digunakan. Perhitungan selanjutnya adalah perhitungan untuk menentukan data-data yang dibutuhkan dalam perancangan baling-baling seperti jumlah baling-baling yang akan digunakan, kecepatan kapal, daya poros, putaran baling-baling, harga arus ikut, harga deduksi gaya dorong, kecepatan maju baling-baling, dan jumlah daun baling-baling. Semua data tersebut nantinya akan digunakan oleh kedua metode yang dibahas pada penelitian ini. Pada metode Crouch, perhitungan yang dilakukan lebih tertuju pada perhitungan nilai slip. Berdasarkan nilai slip ini, akan didapatkan nilai pitch baling-baling dan
selanjutnya akan diketahui ukuran diameter yang sesuai untuk kapal dan dari nilai slip ini pula nilai efisiensi baling-baling didapat [3]. = 1.4." "#. (2) "#$%" =. "# = 4.07. (3) = "% ( ) (1) "#.. (4) Persamaan (1) mengambarkan nilai slip yang terjadi. adalah besar nilai slip dan adalah kecepatan kapal (knot). Persamaan (2) mengambarkan jarak pitch yang bisa dicapai pada kecepatan dan putaran baling-baling. adalah jarak pitch (in). "% adalah putaran balingbaling pada kondisi 90% (rpm). Persamaan (3) menggambarkan diameter efektif (in) pada daya dan putaran baling-baling. adalah putaran baling-baling kondisi 100% dan adalah daya poros (HP). Untuk persamaan (4) merupakan rumus untuk menentukan batas minimum diameter baling-baling (in) yang bisa dipilih. adalah lebar badan kapal (feet) dan adalah tinggi sarat kapal (feet). Gambar 3. Contoh diagram Bp-δ B4.70 yang digunakan pada metode Bp-δ untuk perancangan baling-baling Persamaan (5) adalah rumus untuk menentukan besar Bp. adalah kecepatan maju baling-baling (knot). Persamaan (6) merupakan rumus untuk mendapatkan diameter optimum (in) yang didapat setelah diketahui nilai δ. δ merupakan nilai yang didapat dari hasil plot nilai Bp pada diagram Bp-δ (seperti pada Gambar 3). Perhitungan terakhir adalah perhitungan untuk mengetahui apakah rancangan yang didapat dari metode Crouch dan metode Bp-δ sesuai dan telah memenuhi syarat. Perhitungan meliputi perhitungan batas maksimum diameter yang bisa digunakan pada kapal, perhitungan nilai kavitasi, batas minimum luas daun untuk menghindari kavitasi. "#$ = (7)." = 1.9. "# "#$"% "#$ Gambar 2. Nilai efisiensi baling-baling menurut metode Crouch [4] = "# "# = Pada metode Bp-δ, Proses perhitungannya secara umum lebih banyak menggunakan diagram-diagram Bp-δ. Pehitungan awalnya adalah menentukan besarnya nilai Bp. Dari Bp tersebut selanjutnya akan didapatkan nilai "#$ℎ "#$%, nilai efisiensi, nilai δ dari hasil plot dengan diagram-diagram Bp-δ [5]. " = =.. " (5) (6) " "% (8) (9) (10) Persamaan (7) merupakan batas maksimum diameter yang diperbolehkan [9]. Persamaan (8) merupakan batas maksimum tekanan atau beban yang diizinkan untuk menghindari kavitasi [6]. adalah besar tekanan yang diizinkan (psi), "# "#$"% "#$ adalah jarak garis tengah poros dari permukaan air (feet). Persamaan (9) merupakan batas minimum luas daun untuk menghindari kavitasi. adalah luas bentang daun (in2). Persamaan (10) menggambarkan besar daya yang dibutuhkan oleh kapal. " merupakan besar
efisiensi total pada kapal termasuk di dalamnya efisiensi baling-baling. Setelah semua perhitungan telah didapat, maka selanjutnya adalah membandingkan dan menganalisis hasil rancangan antara kedua metode. Pembahasan yang dilakukan lebih tertuju pada bentuk rancangan baling-baling yang paling baik dan bisa digunakan pada kapal ikan 30 GT. 3. Hasil dan Pembahasan Tabel 1. Hasil perhitungan parameter awal dalam perancangan baling-baling No Parameter Nilai Satuan 1 Hambatan total 9.82 kn 2 Kecepatan kapal 10 knot 3 Daya poros 125.9 kw 4 Putaran baling-baling 750 rpm 5 Arus ikut 0.196-6 Deduksi gaya dorong 0.215-7 Kecepatan maju baling-baling 8.04 knot 8 Jumlah daun baling-baling 4 - Tabel 1 di atas merupakan hasil-hasil yang didapatkan berdasarkan data awal yaitu data kapal ikan 30 GT dan spesifikasi mesin yang digunakan. Nilai hambatan, kecepatan kapal, arus ikut, deduksi gaya dorong, dan kecepatan maju baling-baling merupakan hasil-hasil yang didapat dari perhitungan pada data kapal. Sedangkan untuk daya poros, putaran baling-baling, dan jumlah daun baling-baling didapat dari hasil perhitungan pada spesifikasi mesin. Berdasarkan persamaan (1) dan (2) dan data yang telah didapatkan pada Tabel 1, pada perhitungan balingbaling menggunakan metode Crouch maka didapatkan nilai slip dan pitch. Perhitungan untuk nilai slip didapatkan besarnya sekitar 0.38 dan untuk nilai pitch didapatkan pada nilai 0.73 m. Untuk diameter balingbaling didasarkan pada persamaan (3), (4), dan (7) sehingga untuk diameter efektif, diameter minimum, dan diameter masksimum, masing-masing adalah 0.84 m, 0.796 m, dan 0.8 m. Terdapat nilai koreksi pitch dan diameter untuk beberapa baling-baling berdaun 4 dan berdaun 2 [7], sehingga untuk nilai pitch dan diameter efektif menjadi seperti pada Tabel 2. Pada Tabel 2 terlihat hasil koreksi untuk pitch dan diameter efektif untuk baling-baling berdaun 4 menjadi lebih kecil dari sebelumnya. dikarenakan nilai diameter efektif adalah lebih kecil dari batas minimum diameter, maka diameter tersebut tidak bisa lagi dipilih dalam perancangan baling-baling. Tabel 2. Hasil koreksi nilai pitch dan diameter untuk baling-baling berdaun 4 pada metode Crouch Parameter Nilai Koreksi Hasil Satuan 0.73 0.98 0.72 m "#$%" 0.84 0.94 0.78 m Nilai efisiensi pada metode Crouch didapatkan berdasarkan nilai slip dan pitch ratio (rasio pitch dengan diameter) dengan menggunakan grafik pada Gambar 2. Untuk mendapatkan nilai efisiensi yang tinggi hanya ada dua hal yaitu memperkecil slip atau memperbesar nilai pitch ratio. Pada penelitian ini nilai pitch dan slip cenderung konstan dikarenakan putaran baling-baling konstan sehingga untuk mendapatkan efisiensi yang sesuai didasarkan pada variasi diameter baling-baling. Dengan diketahuinya batas minimum dan maksimum untuk diameter, maka nilai efisiensi yang bisa didapat hanya pada rentang tersebut. Pada Gambar (4) bisa diketahui bahwa nilai efisiensi yang bisa dicapai adalah 56% (setelah pengoreksian [7]) pada rentang 0.796 m dan 0.8 m diameter. Dikarenakan efisiensi yang didapat untuk rentang diameter tersebut cenderung sama dan rentang diameter pun cenderung dekat, sehingga pemilihan diameter tidak terlalu banyak dan hanya berada pada rentang 0.8 m. Gambar 4. Nilai efisiensi yang didapat dengan variasi diameter pada metode Crouch untuk slip dan pitch konstan Dalam menghitung besarnya kavitasi yang mungkin terjadi, berdasarkan Persamaan (8) bahwa kavitasi akan terjadi ketika distribusi tekanan pada daun berada lebih besar dari nilai 6.49 psi sehingga untuk mengatasinya dilakukan dengan cara memperlebar luas daun agar distribusi pada setiap daun menjadi lebih kecil. Berdasarkan Persamaan (9), agar kavitasi bisa teratasi maka luas daun tidak boleh kurang dari 0.378 m 2.
Secara keseluruhan perhitungan menggunakan metode Crouch sudah selesai. Selanjutnya adalah perhitungan menggunakan metode Bp-δ. Dari data-data sebelumnya seperti pada Tabel 1, yaitu dengan diketahuinya jumlah daun baling-baling yang direncanakan berjumlah 4 maka diagram yang digunakan adalah B4. Persamaan (5) didapatkan nilai Bp 52.82, kemudian dengan memplot nilai Bp tersebut pada diagram B4 yang diberikan pada metode Bp-δ, yaitu B4.40, B4.55, B4.70, B4.85 maka dihasilkan nilai-nilai yang diperlihatkan pada Tabel 3. Pada diagram Bp-δ, angka 4 setelah huruf B menyatakan jumlah daun baling-baling dan untuk angka setelah titik menyatakan blade area ratio (rasio luas daun). Tabel 3. Hasil yang didapat dari diagram Bp-δ Bp- δ diagram δ δ koreksi [8] P/D B4.40 248.00 235.6 0.5 0.87 B4.55 242 229.9 0.49 0.875 B4.70 237.7 225.815 0.48 0.895 B4.85 234.00 222.3 0.47 0.93 Gambar 5. Grafik perhitungan pada metode Bp-δ untuk mencari diameter optimum Tabel 5. Data-data dari hasil perpotongan dan / D P/D 0.78 0.326 0.48 0.73 0.91 Setelah didapatkannya nilai δ, berdasarkan persamaan (6) maka didapatkan nilai diameter yang optimum pada masing-masing diagram Bp-δ yaitu 0.769 m untuk B4.40, 0.751 m untuk B4.55, 0.737 m untuk B4.70, dan 0.726 m untuk B4.85. Untuk mendapatkan diameter efektif yang bisa digunakan, dilakukan dengan berdasar hasil pada diagram B4. Dengan diketahuinya batasan-batasan yang telah dijelaskan sebelumnya seperti nilai kavitasi dan batas maksimum diameter yang diperbolehkan, maka untuk mencari nilai diameter efektif didapat berdasarkan hasil perpotongan antara nilai dengan seperti pada grafik di Gambar 5. Grafik pada Gambar 5 didapat dari nilai-nilai pada diagram Bp-δ sebelumnya dengan dengan ditambah batasan luas bentang daun untuk menghindari kavitasi. Pada Gambar 5 terlihat bahwa dari hasil perpotongan antara dan, juga mendapatkan nilai blade area ratio, pitch ratio, dan nilai efisiensi. Hasil tersebut bisa dilihat pada Tabel 5. Gambar 6. Grafik pada Metode Crouch Tabel 4. Perhitungan pada metode Bp-δ untuk mencari diameter optimum Bp-δ diagram (m 2 ) D (m2) (m) P/D B4.40 1.861 3.357 0.50 0.77 0.87 B4.55 2.437 3.290 0.49 0.75 0.88 B4.70 2.993 3.223 0.48 0.74 0.90 B4.85 3.522 3.156 0.47 0.73 0.93 Gambar 7. Grafik pada Metode Bp-δ
Tabel 5. Perbandingan karakteristik rancangan balingbaling yang didapat pada metode Crouch dan Bp-δ Metode D (m) P/D (m 2 ) Crouch 0.8 0.9 0.56 0.378 Bp- δ 0.73 0.91 0.48 0.326 Gambar 8. Pengaruh efisiensi pada daya mesin Gambar 9. Sketsa rancangan baling-baling. (a) Metode Crouch. (b) Metode Bp-δ Setelah didapatkannya perhitungan dari kedua metode yaitu Crouch dan Bp-δ, maka selanjutnya adalah menganalisis perbandingan dari kedua metode tersebut. Pada Tabel 5 memperlihatkan karakteristik hasil rancangan baling-baling menurut metode Crouch dan motode Bp-δ. Berdasarkan bentuk dan besar efisiensinya, pada metode Crouch ukuran baling-baling cenderung lebih besar jika dibandingkan pada metode Bp-δ yaitu 0.8 m dan 0.73 m dan untuk nilai efisiensi Crouch masih menjadi yang lebih besar dibandingkan pada metode Bp-δ yaitu 56% berbanding 48%. Berkaitan dengan nilai efisiensi, baling-baling yang mampu mendorong lebih banyak air dengan putaran rendah akan memiliki daya dorong yang lebih besar dibandingkan dengan mendorong sedikit air dengan cepat [12]. Oleh karenanya, pemilihan diameter yang lebih besar dan putaran yang rendah merupakan kunci pokok dalam pemilihan baling-baling yang optimum. Berdasarkan pernyataan tersebut, hasil yang sebelumnya telah dibandingkan antara metode Crouch dan metode Bp-δ sejalan dengan pernyataan tersebut bahwa dengan diameter yang lebih besar maka efisiensi lebih besar pula. Hal lain mengenai nilai efisiensi yang didapat dari kedua metode, terlihat pada Gambar 8 bahwa nilai efisiensi mempengaruhi daya yang harus dikeluarkan oleh kapal pada kecepatan operasionalnya. Semakin kecil efisiensi maka semakin besar daya yang harus digunakan, sebaliknya semakin besar nilai efisiensi maka semakin kecil daya yang harus digunakan. Beberapa faktor yang bisa dianalisis dari berbedanya hasil yang didapat pada kedua metode, jika dilihat dari Gambar 6 dan Gambar 7 bahwa pada metode Crouch efisiensi dipengaruhi oleh nilai slip, sedangkan pada metode Bp-δ dipengaruhi oleh nilai Bp. Pengaruh nilai slip terhadap efisiensi pada metode Crouch yaitu semakin besar nilai slip maka nilai efisiensi cenderung semakin kecil, semakin kecil nilai slip maka nilai efisiensi cenderung semakin besar. Pada metode Bp, efisiensi akan semakin kecil pada nilai Bp yang semakin besar, sebaliknya efisiensi akan semakin besar pada nilai Bp yang semakin kecil. Kedua faktor yaitu nilai slip dan nilai Bp memiliki kesamaan jika dilihat dari Persamaan (1) dan (5). Terlihat pada kedua persamaan tersebut bahwa adanya pengaruh kecepatan, namun perbedaanya pada metode Crouch menggunakan kecepatan kapal dan metode Bp-δ menggunakan kecepatan maju baling-baling. Menurut teori momentum bahwa gaya dorong pada balingbaling kapal disebabkan oleh besarnya massa fluida yang mengalir, kecepatan masuk (kecepatan maju), dan kecepatan keluar [13]. Metode Bp-δ telah menerapkan teori ini pada perhitungannya sedangkan metode Crouch belum jika dilihat dari komponen faktor kecepatan maju baling-baling. Teori lain yang berhubungan mengenai pengaruh kecepatan ini adalah teori aksi baling-baling sederhana. Pada teori ini dijelaskan bahwa terdapat dua bentuk slip, yaitu slip nyata dan slip semu [10]. Perbedaan kedua nilai slip tersebut yaitu, pada slip nyata komponen kecepatan yang digunakan adalah kecepatan maju baling-baling dan untuk slip semu menggunakan kecepatan kapal. Untuk nilai efisiensi sendiri pada teori ini didapat berdasarkan slip nyata [11]. Berbeda ketika kita lihat dari persamaan (1) bahwa menurut metode Crouch itu merupakan slip nyata, padahal komponen kecepatan yang digunakan adalah kecepatan kapal dan bukan kecepatan maju baling-baling. Hal tersebut berbanding terbalik dengan apa yang dijelaskan pada teori aksi baling-baling sederhana.
4. Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis, pada metode Crouch, nilai efisiensi maksimum yang bisa didapat adalah berada pada nilai 56%, sedangkan pada metode Bp-δ hanya berada pada nilai 48%. Pada metode Crouch faktor yang mempengaruhi efisiensi adalah nilai slip, sedangkan pada metode Bp-δ faktor yang mempengaruhi adalah nilai Bp. Daftar Acuan [1] http://www.boatdesign.net/forums/props/crouchvs-bp-delta-45130.html [2] Gerr, Dave, Propeller Handbook, International Marine, Camden, 2001, p.46. [3] Gerr, Dave, Propeller Handbook, International Marine, Camden, 2001, p.48. [4] Gerr, Dave, Propeller Handbook, International Marine, Camden, 2001, p.58. [5] Gerr, Dave, Propeller Handbook, International Marine, Camden, 2001, p.70. [6] Gerr, Dave, Propeller Handbook, International Marine, Camden, 2001, p.57. [7] Gerr, Dave, Propeller Handbook, International Marine, Camden, 2001, p.54. [8] Gerr, Dave, Propeller Handbook, International Marine, Camden, 2001, p.74. [9] Harvald, S.A. Tahanan dan Propulsi Kapal, Airlangga University Press, Surabaya, 1992, p.137. [10] Harvald, S.A. Tahanan dan Propulsi Kapal, Airlangga University Press, Surabaya, 1992, p.202. [11] Harvald, S.A. Tahanan dan Propulsi Kapal, Airlangga University Press, Surabaya, 1992, p.203. [12] Wilson, J.D.K., Fuel and Financial Savings for Operators of Small Fishing Vessels, FAO Fisheries Technical Paper, Rome, 1999, p.15. [13] Carlton, J.S. Second Edition: Marine Propellers and Propulsion, Elsevier, Oxford, p.170.