1
Analisa Kombinasi Hub Cap dan Ducted Propeller Dengan Pendekatan CFD (Computational Fluid Dynamic) Doni Irawan(1), Irfan Syarief Arief, S.T, M.T(2), dan Ir. Surjo W. Adji, M.Sc, Ceng, FIMarEST(3) (1) Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan ITS, (2),(3)Staff Pengajar Teknik Sistem Perkapalan ITS Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak — Propeller adalah suatu alat penggerak penggerak kapal yang paling banyak digunakan untuk menggerakkan kapal. Propeller merubah gaya putar dari blade menjadi daya dorong untuk menggerakkan kapal. Berdasarkan penelitian yang dilakukan sebelumnya, banyak jenis propeller yang ditemukan untuk meningkatkan effisiensi dan daya dorong kapal contohnya adalah Ducted Propeller dan Hubcap Propeller. Tujuan dari tugas akhir ini adalah mengetahui seberapa besar pengaruh penambahan Hub-Cap pada Ducted Propeller terhadap Torsi, Thrust dan Effisiensi yang dihasilkan dibandingkan dengan Ducted Propeller normal dengan pendekatan CFD (Computational Fluid Dynamic). Analisa yang dilakukan yaitu melihat efek penambahan hub cap dalam berbagai jenis hub cap pada Ducted Propeller. Setelah analisa berakhir kita membandingkan hasil analisa dalam grafik. Hasil dari analisa tersebut adalah penambahan hub cap terutama pada jenis hub cap raptor, memiliki torque yang lebih kecil dan effisiensia. yang lebih besar dari Ducted Propeller normal. Kata Kunci: Propeller, Kaplan, Duct, Hub Cap, CFD
yang menginduksi lambung kapal, juga dapat meningkatkan thrust (gaya dorong) propeller. Sedangkan Hub-cap propeller merupakan modifikasi propeller yang diberi penambahan sirip / fin pada bagian cap propeller. Penambahan sirip / fin ini dapat memperkecil loses yang terjadi pada Hub Propeller yang disebut dengan Hub Vortex Cavitation. Sehingga dapat meningkatkan effisiensi dari propeller tersebut. Dari kedua jenis propeller tersebut dengan keunggulannya masing masing, maka diadakan suatu penelitian yang menjadikan dasar skripsi yaitu perpaduan kedua jenis propeller diatas. Konsep dari perpaduan propeller ini adalah bagian cap pada propeller, diberikan penambahan sirip / fin yang kemudian disebut hub-cap propeller. Dan selanjutnya HubCap Propeller ini akan diberi saluran (Duct). Dan selanjutnya perpaduan tersebut dapat disebut sebagai Hub-Cap Ducting Propeller. Permasalahan-permasalahan penelitian ini, antara lain:
yang
diangkat
dalam
1. Bagaimana menentukan Thrust dan Torque yang dihasilkan Ducted propeller setelah mengalami penambahan Hub Cap? b. 2. Bagaimana menentukan besar Efficiency yang dihasilkan Hub-Cap Ducting Propeller?
I. PENDAHULUAN apal adalah sebuah hasil teknologi yang memiliki berbagai macam sistem yang kompleks dan rumit. Pada saat kapal bergerak dengan kecepatan tertentu, maka akan mengalami gaya hambat dari air, dan untuk mengatasi gaya tersebut diperlukan suatu gaya dorong yang cukup besar dari sistem penggeraknya. Propulsor adalah salah satu bagian dari sistem propulsi kapal, sampai saat ini efisiensi propeller masih sangat kecil. Aliran fluida yang mengalir setelah propeller dapat menyebabkan losses sehingga mengurangi efisiensi, maka dilakukan inovasi dan rekayasa terhadap propeller agar mendapatkan efisiensi propeller yang baik.
K
Berbagai inovasi mengenai propeller kini sudah banyak bermunculan. Beberapa Inovasi propeller tersebut contohnya mengenai Ducted Propeller (Kort Nozzle Propeller) dan HubCap Propeller. Ducted Propeller yang merupakan propeller yang ditambahkan saluran pipa (duct) seperti gelang yang berbentuk aerofoil pada penampang potongan melintangnya. Dengan adanya duct tersebut, dapat mengurangi gaya tekan
Sedangkan tujuan dari penelitian ini ialah untuk menjawab pertanyaan di atas. II. URAIAN PENELITIAN Berikut ini adalah alur dari kegiatan yang dilakukan untuk menyelesaikan permasalahan dalam penelitian ini: A. Identifikasi dan Perumusan Masalah Pada proses ini akan dilakukan suatu identifikasi dan perumusan masalah yaitu tentang analisa besarnya nilai efisiensi dan thrust yang dihasilkan ducted propeller setelah mengalami penambahan hub cap. Setelah mengetahui rumusan masalah yang akan dibahas, maka selanjutnya adalah menentukan metode penyelesaian yang akan digunakan. B. Studi Literatur Tahapan selanjutnya adalah melakukan studi literature dengan tujuan untuk merangkum teori teori dasar, acuan
2 secara umum dan khusus, serta untuk memperoleh berbagai informasi pendukung lainnya yang berhubungan dengan pengerjaan tugas akhir ini. Studi literatur ini dapat diperoleh dari buku, jurnal, paper atau dari internet yang mendukung bahasan dari tugas akhir ini. Selain itu bisa juga dengan melakukan Tanya jawab dengan pihak yang berkepentingan dan berkompeten pada bahasan ini. C. Pembuatan Model Propeller Pembuatan model propeller untuk penelitian ini menggunakan software CFD. Dalam penelitian ini data yang digunakan pemodelan adalah Propeller dengan spesifikasi sebagai berikut : Tipe Diameter Jari Jari P/D Ae / Ao Jumlah Daun
: Ka Propeller : 2000 mm : 1000 mm : 0,7 : 0,7 :4
Gambar 1. Koordinat Titik dan Garis Ka Propeller Koordinat yang telah terhubung dengan garis tersebut selanjutnya diberi surface agar bisa diteruskan ke tahap selanjutnya, yaitu tahap meshing dan running.
D. Pengujian Model dan Pencatatan data Setelah pembuatan model yang akan diuji selesai, langkah selanjutnya yaitu pengujian model dan pencatatan data, pengujian model dilakukan pada software Solid Work – Flow Simulation dengan memvariasikan bentuk hub cap pada propeller. Variasi bentuk hub cap yang akan diujikan adalah Modif 1 (Thin), Modif 2 (Raptor), Modif 3 (SU-47) dan Modif 4 (Groove). Pengujian model ini bertujuan untuk mengetahui area, tekanan dan juga wall shear pada face dan back yang terjadi akibat adanya variasi jenis hub cap pada propeller yg telah dibuat. E. Analisa Data dan Pembahasan Setelah simulasi pada CFD selesai, selanjutnya adalah analisa data dan pembahasan yaitu membandingkan data yang sudah di dapat dari pengujian model pada tiap variable serta menampilkan data tersebut dalam grafik. III. TAHAP PENGGAMBARAN Sebelum memulai analisa, maka terlebih dahulu kita harus memodelkan / menggambarkannya terlebih dahulu
Gambar 2. Pemodelan Propeller yang telah diberi Surface Akan tetapi penggambaran yang dilakukan tadi hanya satu buah blade saja. Jadi untuk mendapatkan jumlah blade yang diinginkan perlu melakukan tool rotate terhadap sumbu X yang berpusat pada koordinat (0, 0, 0) untuk mendapatkan jumlah blade 4, maka harus diputar 90˚
A. Redesign Propeller Penggambaran koordinat model terlebih dahulu dilakukan untuk mempermudah penggambaran pada software Ansys yang akan dikerjakan. Dan spesifikasi propeller yang akan dibuat pemodelannya adalah seperti pada bab II Uraian Penelitian. Proses pertama yang dilakukan dalam proses penggambaran propeller adalah menentukan koordinat dari masing masing propeller tersebut yang didapat dari Software Marine Propeller Geometry yang berupa titik. Selanjutnya dari koordinat titik titik tersebut dihubungkan dengan garis (line). Gambar 3. Pemodelan Propeller yang telah diputar 360O.
3 B. Redesign Kort Nozzle Spesifikasi Kort Nozzle yang dipergunakan adalah: Tipe : Nozzle 19 A Diameter dalam : 2060 mm Lebar
: 1545 mm
Dari data spesifikasi kort nozzle yang diperoleh, langkah selanjutnya adalah penggambaran koordinat kort nozzle yang akan dimodelkan di dalam ansys. Dari table 1, kita bisa menentukan letak koordinat untuk penggambaran kort nozzle. Tabel 1 Tabel Koordinat Kort Nozzle
X/L
Yinner / L
Youter / L
0 1.25 2.5 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 95 100
18.25 14.66 12.80 12.07 8.00 6.34 3.87 2.17 1.10 0.48 0 0 0 0.29 0.82 1.45 1.86 2.36
20.72 21.07 20.8 S S S S S S S S S S S S S S 6.36
Dari koordinat tersebut, dapat dibuat profil kort nozzle yang dibuat ke dalam software Auto cad. Gambar foil yang telah dibuat kemudian di Eksport ke dalam software Icem CFD Ansys untuk dibuat geometrinya. Hasil Eksport tersebut kemudian diputar 360˚ untuk mendapatkan hasil yang diinginkan.
Gambar 5. Surface Kort Nozzle 19A C. Penggambaran Sirip Hub Cap Penentuan bentuk dan dimensi sirip yang digunakan menggunakan analisa non-dimensional, dimana dimensi dari sirip secara keseluruhan berdasarkan perbandingan dari jari jari propeller. Dari jari jari propeller tersebut dan perbandingan sirip maka akan dapat dihitung dimensi dari sirip tersebut. Di dalam tugas akhir ini akan dimodelkan Ducted propeller yang normal dan Ducted propeller yang mengalami penambahan bentuk sirip (fin) dari hub cap akan dimodelkan dalam 4 jenis sirip, yakni: 1.
Modif 1 (Thin) Pada modifikasi yang pertama ini berbentuk dengan foil naca yang berbentuk persegi panjang jika dilihat dari samping. Tinggi dari fin tersebut adalah 0,3R dan panjang foil sebesar 0,3R
Gambar 6. Hub Cap Propeller Modif 1 (Thin) 2.
Modif 2 (Raptor) Bentuk dari jenis sirip ini berbentuk segitiga siku siku yang bagian tegak lurus menghadap sisi bagian depan atau sisi miring menghadap ke bagian belakang propeller.
Gambar 4 Profil Kort Nozzle tipe 19 A
Gambar 7. Hub Cap Propeller Modif 1 (Thin)
4 3.
Modif 3 (SU-47) Bentuk dari jenis sirip ini sama dengan sirip pada modif 2 (Raptor), tetapi pada modif 3 ini posisi segitiga memiliki arah yang berbeda dengan ukuran 0,3 R
270 70 Ducted Hub Cap Propeller
120
(Raptor)
170 220 270 70
Ducted Hub Cap Propeller
120
(SU47)
170 220
Gambar 8. Hub Cap Propeller Modif 3 (SU-47) 4.
Modif 4 (Groove) Bentuk dari jenis sirip ini sama dengan sirip pada modif 3 yakni berbentuk segitiga siku siku, tetapi pada modif keempat ini mempunyai ukuran yang lebih kecil daripada modif 3 yaitu 0,1 R
270 70 Ducted Hub Cap Propeller
120
(Groove)
170 220 270
Data yang diperoleh dari hasil simulasi berupa data numeric adalah harga dari Pressure, Wallshear dan Area Propeller yang kemudian ditabulasikan menjadi Torsi, thrust dan effisiensi dari propeller.
Gambar 9. Hub Cap Propeller Modif 4 (Groove) IV.
Data data yang ditabulasikan dalam bagian sebelumnya, kemudian akan di plot ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui karakteristik dari masing masing model variasi yang dibuat.
ANALISA DATA DARI PROSES SIMULASI MODEL
Grafik Perbandingan Thrust
Model yang telah dibuat, selanjutnya akan melalui tahap simulasi dengan variasi putaran propeller sebagai berikut :
100000
Jenis Propeller
Kecepatan Propeller (RPM) 70
Ducted Propeller
120
(Normal)
170 220
Thrust (N)
Tabel 2 Variasi Pengujian
80000
Normal
60000 40000
Raptor
20000
Groove Thin
0 0
100
200
300
SU-47
RPM
270 70
Gambar 10. Grafik Perbandingan Thrust
Ducted Hub Cap Propeller
120
(Thin)
170
Dari grafik hubungan persentase Thrust berbanding Ducted Propeller Normal dengan perubahan modifikasi bentuk hub cap dan RPM, dapat dilihat bahwa kecenderungan nilai presentase thrust pada modifikasi hub cap selain jenis raptor lebih kecil dibandingkan dengan Ducted Propeller Normal.
220
5 Pada hub cap jenis Thin dan Hub Cap jenis groove nilai thrust akan mengalami peningkatan signifikan diatas 220 RPM. Tetapi hub cap jenis SU-47 dan raptor mengalami penurunan setelah diatas 220 RPM.
Torque (Nm)
Grafik Perbandingan Torque 80000 60000 40000 20000 0
Normal Raptor Groove 0
100
200
300
Thin SU-47
RPM Gambar 11. Grafik Perbandingan Torque
Dari grafik hubungan persentase Torsi berbanding dengan Ducted propeller Normal dengan perubahan modifikasi hub cap dan RPM, dapat dilihat bahwa kecenderungan nilai persentase modifikasi hub cap lebih besar dari pada Ducted Propeller Normal dengan peningkatan nilai torsi di setiap penambahan RPM yang dilakukan. Tetapi berbeda dengan jenis hub cap raptor yang memiliki nilai persentase torsi hampir sama dengan dengan Ducted Propeller Normal. Dan dengan peningkatan putaran diatas 220 RPM, persentase torsi menurun dengan signifikan.
V. KESIMPULAN/RINGKASAN Setelah melakukan analisis data dan pembahasan, maka didapatkan kesimpulan sebagai berikut. 1. Thrust terbesar terdapat pada Ducted Propeller Normal pada putaran 70 rpm dengan nilai 79986.46 N, sedangkan Thrust terendah terdapat pada Hub Cap Ducted Propeller Jenis SU-47 pada putaran 270 rpm dengan nilai 14116.62 N 2. Torque terbesar terdapat pada Ducted Propeller Normal pada putaran 70 rpm dengan nilai 62416.1 Nm, sedangkan Torque terendah terdapat pada Hub Cap Propeller jenis Raptor dengan nilai 7963.19 Nm 3. Effisiensi terbesar terdapat pada Hub Cap Ducted Propeller Jenis Raptor pada putaran 220 rpm dengan nilai 0.53, sedangkan effisiensi terendah terdapat pada Hub Cap Ducted Propeller Jenis Su-47 pada putaran 220 rpm dengan nilai 0.09. 4. Penambahan Hub Cap pada Ducted Propeller yang paling optimal adalah pada hub cap jenis Raptor dengan karena memiliki Effisiensi diatas dari Ducted Propeller Normal 5. Pemanfaatan Hub Cap Ducted Propeller ini hanya untuk kapal cepat dan RPM tinggi . UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Irfan Syarief Arief, S.T, M.T dan Bapak Ir. Surjo W. Adji, M.Sc, Ceng, FIMarEST., selaku dosen pembimbing atas arahan dan bimbingannya. Terima kasih kepada seluruh pihak yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung dalam penelitian ini sehingga Penelitian ini dapat diselesakan. DAFTAR PUSTAKA
Effisiensi (%)
Grafik Perbandingan Efisiensi 60
Normal
40 20
Raptor
0
Groove 0
100
200
300
RPM
Thin SU-47
Gambar 12. Grafik Perbandingan Effiensi Dari grafik hubungan persentase Effisiensi berbanding dengan Ducted propeller Normal dengan perubahan modifikasi hub cap dan RPM, dapat dilihat bahwa kecenderungan Effisiensi modifikasi Hubcap berada di bawah Ducted Propeller Normal. Tetapi berbeda dengan Hub Cap Jenis Raptor yang Effisiensinya cenderung berada di atas Ducted Propeller Normal. Seiring dengan peningkatan Putaran Propeller, persentase perbandingan effisiensi modifikasi hub cap cenderung menurun. Tetapi pada peningkatan putaran diatas 220 RPM, presentasi perbandingan effisiensi meningkat.
[1] W.Adji, Surjo. 2005. Engine Propeller Matching. Surabaya : Teknik Sistem Perkapalan ITS. [2] W.Adji, Surjo. 2005. Pengenalan Sistem Propulsi. Surabaya : Teknik Sistem Perkapalan ITS. [3] Chrysdeckie, Arwan. 2009. Tugas Akhir : Analisa Aliran Fluida pada Hub-Cap melalui Pemodelan CFD. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember [4] Muhyi, Abdul. 2010. Tugas Akhir : Analisa Kombinasi Ducted dan Contra Rotating Propeller dengan pendekatan CFD. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember [5] Kuiper, G. 1992. The Wageningen Propeller Series. Hamburg : Institut Fur Schiffbau dar Univarstat Hamburg [6] Tamura, Yuichi dan Nanke, Yoshiki. 2010. Development of a High Performance Ducted Propeller. Vancouver : ABR Company Ltd.
