BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Umum Dalam operasinya di laut, suatu kapal harus memiliki
kemampuan
untuk
mempertahankan kecepatan dinas (Vs) seperti yang direncanakan. Hal ini mempunyai arti bahwa, kapal haruslah mempunyai rancangan sistem propulsi (penggerak) yang dapat mengatasi keseluruhan gaya-gaya hambat (total resistance) yang terjadi agar memenuhi standar kecepatan dinasnya. Secara umum, Sistem Propulsi Kapal terdiri dari 3 (tiga) komponen utama, antara lain : (a) Motor Penggerak Utama (main engine); (b) Sistem Transmisi; dan (c) Alat Gerak (propulsor). Ketiga komponen utama ini merupakan suatu kesatuan yang didalam proses perencanaannya
tidak dapat ditinjau
secara
terpisah. Kesalahan didalam perancangan, akan membawa „konsekuensi‟ yang sangat besar terhadap kondisi-kondisi sebagai berikut ; 1. Tidak tercapainya kecepatan dinas kapal yang direncanakan. 2. Fuel oil consumption yang tidak efisien. 3. Turunnya nilai ekonomis dari kapal tersebut. 4. Pengaruh pada tingkat vibrasi yang terjadi pada badan kapal, dsb
2.2 Tahanan Kapal Setiap benda yang bergerak atau dinamis pastinya akan memiliki hambatan atau tahanan yang mengiringinya. Hal ini disebabkan karena ketika benda bergerak, maka akan timbul gaya gesek antara benda dengan benda/media lain. Misalnya antara ban mobil dengan aspal jalan raya akan
1
timbul gesekan yang sedikit tidak akan menghambat laju mobil tersebut. Sekalipun hambatan yang timbul dari suatu benda terhadap media yang lain kecil maka tetap berpengaruh terhadap benda tersebut. Sehingga hambatan itu perlu diperhitungkan agar tidak mengganggu kerja dari suatu alat yang kita gunakan. Dalam bidang Perkapalan hambatan itu dikenal dengan istilah tahanan kapal.Tahanan Kapal sendiri didefinisikan sebagai estimasi kebutuhan daya efektif agar kapal mampu bergerak dengan kecepatan servis, Sebuah kapal yang bergerak di atas permukaan air akan dapat gangguan yang berasal dari gelombang dari haluan dan buritan kapal. Gelombang ini berbeda-beda dan merupakan gelombang transversal. Gelombang ini menyebabkan perubahan dalam arah jalan dari kapal. Adapun asumsi yang dibuat dalam perhitungan tahanan adalah kondisi air tenang, lambung bersih dari gangguan hewan, dan tidak ada gelombang.
2.2.1 Jenis Tahanan Kapal Tahanan kapal ini merupakan gaya hambat dari media fluida yang dilalui oleh kapal saat beroperasi dengan kecepatan tertentu. Besarnya gaya hambat total ini merupakan jumlah dari semua komponen gaya hambat (tahanan) yang bekerja di kapal, meliputi :
2
1. Tahanan Gesek (Friction Resistance) Tahanan gesek merupakan tahanan yang terjadi pada permukaan kapal yang tercelup air. Karena semua fluida mempunyai viskositas, dan viskositas menimbulkan gesekan. Sehingga besar tidaknya nilai gesekan ini tergantung pada jenis fluida. Viskositas menyebabkan perubahan aliran di sekitar lambung kapal, yang secara perlahan akan menaikkan tekanan hingga daerah ujung akhir dari lambung kapal. Akibat kondisi ini, sering pula dikenal dengan sebutan Viscous Pressure Resistance.
Gambar 2.1 Tahanan Gesek Pada Kapal Untuk mengurangi tahanan ini adalah dengan mengurangi luas permukaan kapal yang tercelup air, sehingga memperkecil tahanan gesek yang terjadi. Hal ini sudah diaplikasikan pada Advanced Marine Vehicles (AMV's) dengan bentuk lambung yang tidak konvensional seperti, Hydrofoils, Hovercraft, dan Kapal dengan lambung ganda (Multihulls). Dengan bentuk lambung tersebut selain dapat mengurangi tahanan gesek juga dapat mengurangi tahanan gelombang, karena bagian yang tercelup dari AMV tersebut sangat kecil.
3
Gambar 2.2 AMV Dengan Bentuk Lambung Yang Dapat Mengurangi Tahanan Kapal Yang Disebabkan Oleh Air Selain itu juga,untuk mengurangi tahanan gesek digunakan teknologi WAIP (Winged Air Induction Pipe). WAIP menghasilkan gelembunggelembung mikro pada permukaan lambung bawah
dengan
memberi
udara bertekanan pada permukaan sayap untuk mengurangi tahanan gesek. Ketika sayap bergerak secara
horizontal
bertekanan dialirkan melalui sayap
hingga sudut tertentu, udara
tersebut
hingga akhirnya dapat
melapisi permukaan kapal sehingga mampu mengurangi tahanan gesek. Namun untuk kapal dengan sarat air yang besar, diperlukan WAIP yang dilengkapi dengan kompresor untuk membantu agar gelembung udara yang dihasilkan dapat naik kebagian atas sayap dan melapisi seluruh badan kapal yang tercelup air. Teknologi ini terbukti dapat mengurangi konsumsi bahan bakar sebesar 15%. Untuk lebih jelasnya tentang Prinsip kerjanya dapat dilihat pada gambar 2.5.
4
Gambar 2.3 Konsep Teknologi Untuk Mengurangi Tahanan Gesek Dengan Memberi Udara Bertekanan Pada Sayap
2. Tahanan Gelombang (Wave making Resistance) Wave-making-resistance atau tahanan gelombang adalah hilangnya energi yang disebabkan oleh gelombang ketika haluan kapal menabrak air. Untuk lebih jelasnya tentang tahanan gelombang pada kapal bisa dilihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.4 Aliran Gelombang Fluida Tahanan Gelombang dapat dikurangi dengan menggunakan bulbous bow. Bulbous bow adalah struktur di haluan kapal yang membulat dan
5
berada
di bawah permukaan air yang berfungsi menghasilkan
gelombang sebelum
kapal
mendorong
air.
Gelombang
yang
dihasilkan bulbous bow berlawanan arah dengan gelombang yang dihasilkan badan kapal, sehingga kedua gelombang tersebut akan saling mengimbangi dan membuat gelombang. Yang dihasilkan menjadi lebih kecil. Efek dari pemakaian bulbous bow berhasil mengurangi total tahanan kapal sebesar 30%.
Gambar 2.5 Bulbous Bow 3. Tahanan Tambahan Tahanan Tambahan juga terkadang disebut tahaanan udara (Air or Wind Resistance) karena memang yang dominan adalah udara angin. Komponen Tahanan Tambahan yang lain yaitu disebabkan oleh Daun Kemudi, Bilge Keel, Bossing/Open Shaft, Struts, Skegs. a. Tahanan Udara Tahanan udara adalah tahanan yang dialami oleh bagian badan kapal yang berada diatas permukaan air dan bangunan
6
atas
(super structure) akibat gerakan udara atau angin. Tahanan
udara dialami oleh seluruh permukaan kapal yang tidak tercelup air. Kapal container mengalami tahanan udara yang cukup besar karena luas permukaan yang tidak tercelup air cukup banyak. Hal ini disebabkan muatan yang dibawa yaitu cointainer-container disusun di atas dek, sehingga agar pandangan tidak terganggu oleh muatan container tersebut maka bangunan atas kapal tersebut dibuat sangat tinggi, sehingga memperbesar tahanan udara kapal tersebut.
Gambar 2.6 Kapal Container Dengan Bangunan Atas Yang Sangat Tinggi Tahanan udara yang bekerja pada floating body/kapal akan dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut : -
Kecepatan kapal
-
Kecepatan udara / angin
-
Luas permukaan badan kapal di atas air
-
Arah kapal terhadap arah angin
7
Untuk
mengurangi
mengurangi bangunan
tahanan
udara
superstructure
pada
adalah
dengan
atas
geladak.
Namun hal ini tidak berlaku pada kapal container karena itu tahanan udara sangat besar pengaruhnya pada kapal kontainer.
b. Tahanan Tambahan Oleh Komponen Lain Tahanan pada bilge Keel terjadi karena adanya gesekan akibat penambahan luas permukaan basah dan juga Interferensi drag pada pertemuan antara bilge keel dengan lambung.
Gambar 2.7 Penampang Bilge Keel Tahanan pada Daun Kemudi disebabkan adanya gesekan antara daun kemudi tersebut dengan air laut terutama pada saat kapal melakukan maneuvering.
8
Gambar 2.8 Bentuk-Bentuk Rudder Pada Kapal Tahanan oleh Shaft-Bossing terjadi akibat gesekan antara poros baling-baling dengan air laut sehingga menimbulkan tahanan pada sisi buritan kapal.
Gambar 2.9 Penampang Shaft-Bossing
9
Prosentase nilai
pendekatan tahanan tambahan
terhadap
tahanan lambung kapal :
c. Tahanan Bentuk (Form Resistance) Selain tahanan tambahan di atas terdapat tahanan yang disebabkan oleh bentuk badan kapal. Tahanan ini disebabkan oleh timbulnya Arus Pusaran (Eddy Current) yang muncul yang akan menyerap energy atau daya pada kapal sehingga menjadikannya sebagai tahanan.
Gambar 2.10 Arus Pusaran Bentuk Kapal Yang Tidak Streamline Setelah mengetahui komponen-komponen yang mempengaruhi besarnya tahanan kapal. Maka harus ada upaya teknis dalam
10
mengurangi tahanan kapal tersebut untuk meminimalisir kerugian yang disebabkan oleh komponen-komponen tahanan tersebut. Tahanan total inilah yang nantinya akan dihitung sehingga dari perhitungan tahanan didapatkan effective horse power, yang merupakan daya aktual yang diperlukan oleh kapal untuk dapat kecepatan dinas (Vs).
2.2.2 Perhitungan Tahanan Kapal Secara Manual Metode perhitungan tahanan kapal secara manual sangat banyak jenisnya, Adapun metode-metode yang digunakan dalam perhitungan hambatan adalah sebagai berikut: A. Perhitungan Tahanan Kapal Metode Guldhamer dan Harvald Dalam publikasi Ship Resistance (Guldhamer dan Harvald, 1965,1974) disajikan koordinasi dari hasil yang dikumpulkan dari berbagai pengujian dari tangki percobaan. Penganalisaan metode guldhamer ini dilakukan dengan cara : Menghitung volume displacement …………………………….…………2.1 (Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press)
11
Dimana
merupakan volume displacement kapal, Cb adalah coefisien
Blok merupakan bentuk kegemukan lambung, Lpp adalah panjang kapal, B merupakan lebar kapal dan T merupakan sarat atau garis air kapal. Jadi pada volume displacement ini dilakukan perhitungan voleme kapal yang tercelup air atau berada di bawah garis air.
Menghitung Displacement ……………………………………………...…..2.2 (Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press) Dimana
merupakan massa jenis air laut.
Displacement merupakan berat seluruh kapal yang terendam dalam air. Adapun satuannya adalah Ton.
Menentukan Harga Fn ……………………………………………...………2.3 (Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press) Fn merupakan bilangan Froude Number, Vs merupakan kecepatan service kapal saat berlayar dan lwl merupakan panjang kapal yang pada garis air.
12
Menghitung luas permukaan basah (S) ……………….……..……..2.4 (Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press) Dimana : S = Luasan Permukaan Basah Lpp : Panjang Kapal Cb : Koefisien Blok B : Lebar Kapal T : Sarat Kapal atau tinggi garis air kapal
Menentukan harga Cr Harga Cr (tahanan sisa) dapat dihitung dengan menggunakan diagram Guldhammer – Harvard. Adapun langkah-langkah dalam menentukan harga Cr adalah sebagai berikut: 1. Tentukan harga Lpp/
untuk menentukan grafik yang akan
digunakan 2. Gunakan grafik fig 5.5.5 – fig 5.5.13 sesuai dengan harga Lpp/ Misalkan harga Lpp/
= 4, maka menggunakan grafik 5.5.5
pada diagram Guldhammer.
13
Contoh grafik sebagai berikut :
(Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press) 3. Tarik garis Fn memotong Cb kapal, kemudian ditarik ke samping sehingga diketahui 103Cr = Hasil diagram.
14
Contoh sebagai berikut:
4. Jika harga Lpp/
1/3
bukan harga bulat atau tidak ada pada pilihan
grafik maka diinterpolasi. Seperti contoh di bawah ini : Untuk Lpp/
1/3
=12.03 Fn=0.2 Rn=4.8
Lpp/
1/3
=12.03………..103Cr = 1
Lpp/
1/3
=12.53………..103Cr = 0.85
Maka dilakukan interpolasi untuk harga Lpp/
15
1/3
=12.05
5. Koreksi Cr karena Rasio B dan T Setelah harga Cr diketahui maka dilakukan koreksi Cr dengan menggunakan perbandingan rasio B/T. Adapun persamaan untuk koreksi B/T adalah sebagai berikut : ……………………....……….2.5 (Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press)
Mencari koefisien tahanan gesek (Cf) Adapun menurut buku harvald untuk menentukan koefisien tahanan gesek adalah menggunakan persamaan sebagai berikut : ……………………….…………………………..2.6 (Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press) Dimana Rn merupakan Renold Number, untuk menentukan Rn yaitu sebagai Berikut : Rn = (Vs x Lwl)/ υ …………………………………………..……2.7 Dimana: Vs : Kecepatan Kapal Lwl : Panjang kapal pada garis air υ : viskositas air laut yaitu 0.00000084931 pada suhu 30o
16
Koefisien Tahanan Kemudi (CAS) Untuk kondisi kapal stabil dan karena terlalu kecil koreksi, maka koreksi untuk udara dan kemudi dapat diabaikan. Karena dalam perancangan awal, koreksi ini sudah tercakum pada koefisien tambahan. Menurut buku harvald nilai tahanan kemudi adalah CAS = 0,04 x 10-3 (Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press)
Koefisien Tahanan Udara (CAA) Untuk kondisi kapal stabil dan karena terlalu kecil koreksi, maka koreksi untuk udara dan kemudi dapat diabaikan. Karena dalam perancangan awal, koreksi ini sudah tercakum. Menurut buku harvald nilai tahanan kemudi adalah CAS = 0,707 x 10-3 (Sumber: Sv. Aa Harvald (1992). Tahanan & Propulsi Kapal. Surabaya: Airlangga University Press) Koefisien Tahan Total (Cɣ) Cɣ = Cf + Cr + CA + CAA+ CAS Tahanan Total Kapal ( Rt ) Rt = Cɣ x ½ x ρ air laut x Vs x S
17
Kondisi pelayaran dinas Menurut buku tahanan dan propulsi kapal hal 133, untuk jalur pelayaran pasifik harga Rt ditambah 20%. RT = RT + 20% RT............................................................................2.8
2.3
Motor Diesel
2.3.1
Motor Diesel Motor diesel adalah suatu motor yang menggunakan pengapian
kompresi. Udara didalam silinder-silindernya dikompresikan sampai sedimikian sehingga menjadi cukup panas untuk mengapikan bahan bakar. Motor diesel termasuk motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) yaitu motor yang tenaganya diperoleh dari pembakaran bahan bakar motor itu sendiri. Motor diesel yang digunakan dalam propulsi kapal, pada umumnya adalah Reciprocating Engine
yang
beroperasi
dengan
prinsip-prinsip
diesel
(Compression Ignation). Berbagai ukuran untuk motor diesel ini kemudian dibuat,
mulai
dari
kebutuhan
untuk pleasure boats hingga ke modern
supertankers dan passenger liners. Motor ini dapat dikembangkan hingga memberikan lebih dari 2500 kW per cylinder, maka output power bisa mencapai 30,000 kW untuk 12 cylinders (40,200 HP). Torsi yang diproduksi oleh Motor diesel, adalah dibatasi oleh maximum pressure dari masing-masing silinder-nya. Sehingga, ketika motor memproduksi maximum torque, maka artinya, maximum power hanya dapat dicapai pada kondisi maximum RPM. Motor diesel
secara
konsekuensi,
mungkin memproduksi power sedemikian hingga proporsional dengan RPM
18
untuk
masing-masing
throttle
setting- nya. Pembatasan
ini
kemudian
menyebabkan masalah tersendiri didalam melakukan matching antara Motor diesel dan Propeller.
2.3.2 Daya Motor Dalam menentukan daya motor yang harus diperhatikan adalah daya BHP (Brake Horse Power) yang dibutuhkan dalam mendorong kapal, baik dalam kondisi-kondisi SCR (Service Continuous Rating) maupun dalam MCR (Maximum Continuous Rating). BHP yang dibutuhkan didapat dari perhitungan tahanan kapal. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah putaran dan karakteristik propeller. Sedangakan karakteristik yang harus diketahui adalah daerah kerja motor diesel, baik itu daerah kerja dari daya maupun putaran motor . Selisih antara BHP dan SCR disebut motor margine. Harga motor margine sekitar 10 – 20 % dari kondisi SCR. Pada kondisi operasional terdapat pertimbangan kondisi cuaca dan perairan. Perbedaan antara daya yang dibutuhkan oleh cuaca tenang dan cuaca buruk sebagai sea margin. Besarnya sea margin biasanya ditentukan oleh pihak galangan dan atau bersama pemilik kapal, berkisar 15 – 20% sesuai dengan jalur pelayarannya. Pada karakteristik motor diesel terdapat batas – batas kerja dari motor yang biasnya disebut motor envelope. Agar motor dapat memenuhi daya yang direncanakan untuk kapal, maka putaran dan daya propeller yang dibutuhkan haruslah berada dalam batas – batas daerah keja atau motor lay out.
19
2.3.3 Karakteristik Torsi – Rpm Motor diesel dikatakan sebagai motor dengan torsi konstan yang berarti walaupun beban berubah, torsi motor akan tetap konstan. Beberapa keadaan dapat merubah sifat di atas, maka torsi akan dipaksa untuk ikut berubah menyesuaikan keadaan.Begitu pula jika motor menggunakan turbocharger maka akan berubah sifat torsi konstannya. Karakteristik torsi pada motor diesel secara tipical adalah garis lurus horizontal menurut setting pompa dan bahan bakarnya.
Gambar 2.11 Grafik Hubungan Torsi & Motor Speed
Gambar 2.12 Grafik Hubungan Motor Power & Motor Speed
20
2.3.4 Daerah Kerja Motor Diesel Banyak faktor yang menjadi batasan kerja diesel, daerah kerja pada bidang yang menggunakan BHP dan RPM sebagai sumbu-sumbunya ini dikenal dengan nama “motor envelope”. Faktor-faktor tersebut harus diperhatikan dalam pengoperasian motor diesel untuk menjamin keamanan kerja dan life time motor. Batasan motor disebabkan oleh : Kecepatan Minimum (Idling Speed) Kecepatan minimum yang dimaksud adalah kecepatan minimum untuk memutar motor diesel agar dapat berputar tanpa beban luar.Pembatasan ini berhubungan dengan injeksi bahan bakar, pembakaran, dan karakteristik inersia komponen-komponen motor bergerak. Pada kecepatan rendah, bahan bakar yang diinjeksikan harus sedikit dan hal ini merupakan kesulitan pada konstruksi pompa injeksi, dan pembakaran juga terganggu karena pada kecepatan rendah temperature silinder dapat mencapai titik nyala bahan bakar. Kecepatan Maksimum Kecepatan maksimum mempengaruhi pembakaran,karena penghisapan udara melalui katup-katup dan injeksi bahan bakar menjadi kurang efektif pada rpm yang terlalu tinggi. Hal ini disebabkan karena putaran pompa bahan bakar yang tergantung pada putaran motor.
21
Tekanan Puncak Silinder Batasan ini juga berkaitan dengan pompa injeksi. Jika tekanan dalam silinder terlalu tinggi maka akan menyulitkan dalam injeksi bahan bakar, karena jika tekanan didalam silinder terlalu besar maka tekanan injeksinya harus lebih besar lagi. BMEP Minimum Pembatasan ini diberikan mengingat bahwa pada tekanan yang sangat rendah minyak pelumas
akan rusak oleh bahan bakar
menimbulkan karbon didalam silinder.
22
dan
