KAJIAN PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBULENSI DAN PULSASI ANTARA PROPELER PESAWAT TANPA AWAK YANG RENDAH BISING DAN PROPELER PABRIKAN MELALUI ANALISA KOMPUTASI DINAMIKA FLUIDA Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : ANDI YONGKO (090401036) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2014
ABSTRACT As one of the most crucial component in the airplane, propeller has the purpose to generate a push-force known as thrust. However, in practices, despite the thrust, propeller has the role in causing the noise while operating. Propeller s noise is prohibited to exceed the limit level of the government legislation of environmental noise. As the decision of environmental minister, number : KEP- 48/MENLH/11/1996 about basic sound level 25 th November 1996, that the permitted sound level in residential area is 55dB and in industrial area is 70 db. Nevertheless, in the realization, the common sound level of the propeller is 80 db within 300 m. Therefore, this script is to seek for the lowest noise of several propeller, run by a petrol engine, but with a high quality of flight by using the CFD (Computational Fluid Dynamic) software Solidworks. The level of turbulence and the pressure field of the CLARK-Y airfoil propeller which is about to be used in the UAV (Unmanned Aerial Vehicle), is going to be compare with the other of the two manufactured propeller, APC and Master Airscrew. The diameter of CLARK-Y propeller is 0,46 m with the value of Sound Power Level produced is 71,4 db and Sound Pressure Level is 43,5 db ( range 10 m). The diameter of APC is 0,38 m with Sound Power Level produced is 67,99 db and Sound Pressure Level is 40,1 db (range 10 m). For Master Airscrew (diameter = 0,2 m), the Sound Power Level produced is 60,38 db of and Sound Pressure Level 32,5 db (range 10 m). Meanwhile, the value of Thrust which is gained for each propeller is opposite to those, with CLARK-Y generates 89,5 N, APC generates 54,7 N and Master Airscrew generates 14,8 N at the speed of 10 m/s Keywords : Design, Propeller, CLARK-Y, Noise, Thrust i
ABSTRAK Propeler merupakan salah satu komponen penting pada pesawat. Fungsi propeler adalah untuk menghasilkan gaya dorong atau yang sering disebut Thrustdengan diberi input tenaga putar dari mesin. Namun dalam prakteknya, selain memberikan gaya dorong, propeler turut berperan dalam menimbulkan kebisingan ketika sedang berputar. Kebisingan propeler ini tidak boleh melewati batas ambang kebisingan yang telah ditetapkan dalam perundang undangan pemerintah. Berdasarkan keputusan menteri negara lingkungan hidup nomor : KEP-48/MENLH/11/1996 tentang baku tingkat kebisingan tanggal 25 November 1996, bahwa tingkat kebisingan yang diizinkan untuk daerah permukiman adalah 55 db dan untuk daerah industri adalah 70 db. Namun dalam realisasinya, propeler pada umumnya memiliki tingkat kebisingan di atas 80 db untuk pengukuran di dalam jarak 300 m. Oleh sebab itu, tugas akhir ini memiliki tantangan untuk mencari propeler yang memiliki tingkat kebisingan yang rendah namun memiliki unjuk kerja yang tinggi melalui software analisa CFD (Komputasi Dinamika Fluida) Solidworks. Tugas akhir ini akan membandingkan tingkat turbulensi dan pulsasi antara propeler yang dibentuk dari airfoil CLARK Y yang akan digunakan untuk pesawat tanpa awak, dengan propeler pabrikan. Propeler CLARK-Y yang memiliki diameter 0,46 m dengan Sound Power Level yang dihasilkan sebesar 71,4 db dan Sound Pressure Level sebesar 43,5 db (jarak ukur 10 m). Propeler APC dengan diameter 0,38 m menghasilkan Sound Power Level 67,99 db dan Sound Pressure Level 40,1 db (jarak ukur 10 m) dan propeler Master Airscrew dengan diameter 0,2 m, menghasilkan Sound Power Level sebesar 60,38 db dan Sound Pressure Level sebesar 32,5 db (jarak ukur 10 m). Sedangkan nilai Thrust yang dihasilkan berbanding terbalik dengan CLARK-Y adalah 89,5 N, APC adalah 54,7 N dan Master Airscrew adalah 14,8 N setelah mencapai kecepatan 10 m/s. Keyword: Desain, Propeler, CLARK-Y, Kebisingan, Thrust ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini yang berjudul KAJIAN PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBULENSI DAN PULSASI ANTARA PROPELER PESAWAT TANPA AWAK YANG RENDAH BISING DAN PROPELER PABRIKAN MELALUI ANALISA KOMPUTASI DINAMIKA FLUIDA. Skripsi ini disusun untuk memenuhi persyaratan untuk menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan skripsi ini, tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik material, moral maupun spiritual dari berbagai pihak, akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu dengan penuh ketulusan hati, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua penulis, Pau Min dan Erwani yang setiap saat selalu memberikan dukungan, doa serta kasih sayang kepada penulis. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Dosen Pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah banyak memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin. 4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin. 5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama masa kuliah. 6. Rekan rekan khususnya Indro Pramono, Andri Setiawan, T. Rinaldi, Fransdinata, Adi Surya, Juliono, Fauzi, Rahmad, Ary Santoni, dan seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin USU angkatan 2009 yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis. iii
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran, usul dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih. Medan, April 2014 ANDI YONGKO iv
DAFTAR ISI ABSTRAK...i KATA PENGANTAR...iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR...vii DAFTAR TABEL...ix DAFTAR NOTASI... x BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Perumusan Masalah...2 1.3 Tujuan Penilitian...2 1.3.1 Tujuan Umum...2 1.3.2 Tujuan Khusus...2 1.4 Batasan Masalah...3 1.5Sistematika Penulisan...3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Propulsi...5 2.2 Pengertian Propeller...5 2.3 Bagian-Bagian Propeler...6 2.4 Dasar Elemen Propeller...8 2.5 Teori Momentum Sederhana...11 2.6 Gaya Yang Terjadi Pada Propeler...14 2.7 Sumber Noise Aerodinamis...16 v
2.8 Tingkat Kebisingan...18 2.9 Computational Fluid Dynamics (CFD)...21 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Pendahuluan...23 3.2 Waktu dan Tempat...23 3.3 Variabel Penelitian...23 3.3.1 Variabel Terikat...23 3.3.2 Variabel Bebas...24 3.4 Peralatan Yang Digunakan...24 3.5 Spesifikasi Data...24 3.6 Spesifikasi Fluida...26 3.7 Spesifikasi Jenis Propeler Pabrikan...27 3.8 Spesifikasi Mesin Gasoline...29 3.9 Urutan Proses Analisa...29 3.10 Diagram Alir Penelitian...31 3.11 Tahap Pengujian Propeler...31 3.2 Diagram Alir Simulasi...37 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Verifikasi Teoritis...40 4.2 Analisa Kecepatan, Tekanan Dan Turbulensi Propeler...42 vi
4.1.1 Propeler Clark-Y...42 4.1.2 Propeler APC...48 4.1.3 Propeler Master Airsrew...52 4.2 Analisa Gaya Dorongan Propeler (Thrust)...57 4.3 Analisa Kebisingan...60 4.3.1 Karakteristik Perambatan Kebisingan Pada Udara...60 4.3.2 Analisa Kebisingan Pada Propeler...65 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...71 5.2 Saran...72 DAFTAR PUSTAKA vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Bagian Bagian Propeler...6 Gambar 2.2 Luas Permukaan Sebuah Baling Propeller... 7 Gambar 2.3 Elemen Pada Baling Baling Propeller......8 Gambar 2.4 Sudut Pada Baling Baling Propeler...9 Gambar 2.5 Udara Relatif...10 Gambar 2.6 Jalur Pergerakan Propeler...10 Gambar 2.7 Geometric dan Effective Pitch...11 Gambar 2.8 Aliran Plat Penggerak (Actuator Disk Flow)...11 Gambar 2.9 Tegangan Pada Propeler...15 Gambar 2.10 Sumber-sumber noise pada komponen aerodinamis...17 Gambar 2.11 Noise GenerationMechanisme pada propeller...18 Gambar 3.1 Detail Geometri Propeler CLARK-Y...25 Gambar 3.2 Penampang Propeler CLARK Y...26 Gambar 3.3 Detail Geometri Propeler APC...27 Gambar 3.4 Penampang Propeler APC...28 Gambar 3.5 Detail Propeler Master Airscrew...28 Gambar 3.6 Penampang Propeler Master Airscrew...29 Gambar 3.7 Diagram Alir Penelitian...31 Gambar 3.8 Koordinat Airfoil CLARK Y...33 Gambar 3.9 Pengisian Koordinat Airfoil CLARK Y...34 Gambar 3.10 Input Sudut Serang......34 Gambar 3.11 Pemilihan Jenis Fluida......36 Gambar 3.12 Diagram Alir Simulasi...38 Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi (lanjutan)...39 Gambar 4.1 Aliran Kecepatan Udara Melewati Propeler......42 Gambar 4.2 Kontur Kecepatan Udara Propeler CLARK -Y...43 Gambar 4.3 Kontur Tekanan Propeler CLARK -Y...44 Gambar 4.4 Kontur Kecepatan Permukaan Propeler CLARK-Y (a) dan Titik KecepatanTertinggi (b)...45 viii
Gambar 4.5 Kontur Tekanan Pada Permukaan Propeler CLARK Y...46 Gambar 4.6 Kontur Energi Turbulensi Propeler CLARK-Y...47 Gambar 4.7 Aliran Kecepatan Udara Pada Propeler APC...49 Gambar 4.8 Kontur Kecepatan Aliran Udara Propeler APC...49 Gambar 4.9 Kontur Tekanan Propeler APC... 50 Gambar 4.10 Kontur Kecepatan Permukaan Propeler APC...50 Gambar 4.11 Kontur Tekanan Permukaan Propeler APC...51 Gambar 4.12 Kontur Energi Turbulensi Propeler APC... 51 Gambar 4.13 Karakteristik Kecepatan Udara Pada Propeler Master Airscrew...52 Gambar 4.14 Kontur Kecepatan Udara Propeler Master Airscrew...53 Gambar 4.15 Kecepatan Permukaan Propeler Master Airscrew...54 Gambar 4.16 Kontur Tekanan Permukaan Propeler Master Airscrew...54 Gambar 4.17 Kontur Tekanan Propeler Master Airscrew...55 Gambar 4.18 Kontur Energi Turbulensi Propeler Master Airscrew...56 Gambar 4.19 Grafik Nilai Thrust Propeler...60 Gambar 4.20 Grafik Hasil Perbandingan SPL Antar Propeler...70 ix
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Contoh SPL Berdasarkan Sumbernya... 19 Tabel 2.2 Basic Sound Power Level Spectrum L w (B)... 20 Tabel 3.1 Spesifikasi Data... 25 Tabel 3.2 Spesifikasi Fluida Udara Atmosfir... 26 Tabel 3.3 Koordinat Airfoil CLARK Y... 33 Tabel 4.1 Perbandingan Hasil Teoritis Dan Hasil Simulasi... 41 Tabel 4.2 Hasil Simulasi Propeler CLARK-Y... 48 Tabel 4.3 Hasil Simulasi Propeler APC... 52 Tabel 4.4 Hasil Simulasi Propeler Master Airscrew... 56 Tabel 4.5 Hasil Thrust Propeler CLARK-Y... 57 Tabel 4.6 Hasil Thrust Propeler APC... 58 Tabel 4.7 Hasil Thrust Propeler Master Airscrew... 59 Tabel 4.8 Sound Power Level Hasil Pengujian... 67 Tabel 4.9 SPL Berdasarkan Jarak Dengar Untuk Propeler CLARK-Y... 67 Tabel 4.10 SPL Berdasarkan Jarak Dengar Untuk Propeler APC... 68 Tabel 4.11 SPL Berdasarkan Jarak Dengar Untuk Propeler Master Airscrew...69 x
DAFTAR NOTASI Simbol Arti Satuan c Kecepatan Suara m/s T Temperatur K ζ Impedansi rayl ϒ Rasio Panas Spesifik - Massa Jenis kg/m 3 v kecepatan m/s Q Debit m 3 /s L w Sound Power Level db L P Sound Pressure Level db P Tekanan Pa N b Jumlah Blade - D Diameter m r Radius m A Luas Penampang cm 2 xi