Jurusan Teknik Mesin Fakultas Tegnologi Industri Institut Tegnologi Sepuluh Nopember Surabaya
DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM PROPULSI DAN STAND ALONE SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL M. Dakka Krisma Dwikade 2109 106 006 Dosen Pembimbing: Arif Wahjudi, ST., MT., Ph.D. Hendro Nurhadi, Dpil-Ing., Ph.D.
LATAR BELAKANG Ketergantungan produk Belum dilakukan penelitian sebelumnya
Kenapa sistem propulsi??
Dalam cakupan teknik mesin
Penelitian Sebelumnya • Firmansyah (2012) telah melakukan penelitian mengenai desain sistem propulsi berupa pemilihan propeller jenis CPP (Controllable Pitch Propeller) berdasarkan metode B-Screw Series, pemilihan spesifikasi prime mover dan sistem transmisi pada kapal Offshore Patrol Vessel 80. • Dullens (2009) telah melakukan penelitian mengenai pemodelan matemaika komponen propeller type CPP (Controllable Pitch Propeller) berupa linear aktuator, servo hidrolik, makanisme CPP
RUMUSAN MASALAH SISTEM PROPULSI Bagaimana menentukan pemilihan komponen prime mover, transmission, dan propeller berikut analisa pemilihannya?
SISTEM KONTROL PROPULSI Bagaimana memodelkan dan mendesain kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal ??
BATASAN MASALAH • Desain sistem propulsi berupa pemilihan spesifikasi prime mover, transmisi, dan propeller • Prime mover berupa diesel engine, transmisi berupa redustion gerabox, dan propeller berupa cotrollable pitch propeller • Desain sistem kontrol propulsi berupa Stand alone system • Input kecepatan propeller dan pitch propeller • Output kecepatan propeller, pitch propeller, dan kecepatan kapal • Kondisi perairan dan gelombang laut diabaikan • Simulasi dilakukan pada kondisi kondisi operasional kapal ahead • Analisa simulasi pada sistem kontrol kecepatan propeller dan kontrol pitch propeller
TUJUAN DAN MANFAAT SISTEM PROPULSI KAPAL Memperoleh jenis komponen prime mover, transmission, dan propeller
SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL Memperoleh desain dan model kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal
SEKILAS TENTANG
SISTEM PROPULSI KAPAL [1]
PROPELLER
SISTEM TRANSMISI
PRIME MOVER
Controllable Pitch Propeller (CPP) Fixed Pitch Propeller (FPP)
Direct Drive Geared Drive Electrical Drive
Diesel Engine Turbin
SEKILAS TENTANG
SISTEM PROPULSI KAPAL [2]
DHP
SHP
BHPscr
BHPmcr
Rt EHP
Interaksi Propeller dan Lambung Kapal Vs
Kt – Kq - J
SEKILAS TENTANG
SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [1]
CPP Pitch Control
Diesel Engine Speed Control
Platform Interaksi propeller dan lambung kapal untuk mencapai kecepatan servis
SEKILAS TENTANG
SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [2] Konsep pengontrolan pitch
SEKILAS TENTANG
SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [3] Konsep pengontrolan speed
m fuel
METODOLOGI PENELITIAN [1] • Diagram Alir Penelitian • Kriteria Desain • Konsep Desain
Kriteria Desain • Misi kapal adalah kapal cepat patroli. • Kecepatan desain kapal yang diinginkan adalah 30 knots. • Kontrol yang akan diimplementasikan adalah stand alone system sehingga masing – masing propulsi memiliki kontrol yang berdiri sendiri. Dimana antara satu propulsi dan propulsi yang lain bergerak sama. • Input yang digunakan pada sistem kontrol ini adalah pitch dan kecepatan mesin yang diinginkan dengan keluaran kecepatan kapal. • Kriteria sistem kontrol dengan settling time pitch propeller dan kecepatan propeller kurang dari 23 s.
Konsep Desain
Sistem propulsi dan stand alone sistem kontrol propulsi dengan diesel engine sebagai prime mover, reduction gearbox sebagai transmission, dan controllable pitch propeller (cpp) sebagai propeller.
DESAIN SISTEM PROPULSI KAPAL
Pemilihan Prime Mover [1] Langkah Pemilihan: a. Perhitungan Delivered Horse Power (DHP) 𝐸𝐸𝐸 𝐷𝐷𝐷 = 𝑃𝑃 b. Perhitungan Shaft Horse Power (SHP) 𝐷𝐷𝐷 𝑆𝑆𝑆 = 𝜂𝜂𝜂𝜂
c. Perhitungan Brake Horse Power service continuous rating (BHPscr) 𝑆𝑆𝑆 𝐵𝐵𝐵 𝑆𝑆𝑆 = ηG
d. Perhitungan Brake Horse Power maximum continuous rating (BHPmcr) 𝐵𝐵𝐵 𝑆𝑆𝑆 𝐵𝐵𝐵 𝑀𝑀𝑀 = 0,85
Pemilihan Prime Mover [2] BHPMCR = 62127,54 hp = 46285,02 kW Karena twin screw propeller maka, daya masing – masing engine Adalah 23142,5 kW
Prime Mover Type Daya Kecepatan mesin
: S.M.E.T. Pielstick 18 PC4-2B : 23850 kW : 600 rpm
Pemilihan Propeller Langkah Pemilihan: a. Menentukan Power Absorbtion (BP) b. Pembacaan diagram BP-1 c. Menentukan nilai P/D dan δ0 dari pembacaan diagram BP-δ. d. Menentukan nilai diameter optimum (DO) dari pembacaan diagram BP-δ. e. Menentukan nilai Pitch Propeller (PO) f. Menentukan nilai diameter behind ship (DB) g. Menentukan nilai δB h. Menghitung nilai (P/D)B i.
Menentukan efisiensi masing – masing type propeler
Pemilihan Propeller [1] Unit
B5-45 Pemilihan propeller B Screw Series N. Engine (rpm) 600,000 N. Propeller (rpm) 288,184 Pd (kW) 18892,160 Vs (knot) 30,000 Va (knot) 24,750 Bp 15,287 0,7139(Bp^2) 0,680 (P/D)o 0,965 1/Jo 1,465 δo 148,354 Do (feet) 12,741 Db (feet) 12,104 (P/D)b 1,005 1/Jb 1,392 δb 140,937 η 0,650
Type Propeller B5-60 B5-75 600,000 288,184 18892,160 30,000 24,750 15,287 0,680 0,945 1,490 150,886 12,958 12,311 0,975 1,416 143,342 0,657
600,000 288,184 18892,160 30,000 24,750 15,287 0,680 0,950 1,490 150,886 12,958 12,311 0,980 1,416 143,342 0,655
B5-90 600,000 288,184 18892,160 30,000 24,750 15,287 0,680 0,980 1,465 148,354 12,741 12,104 1,015 1,392 140,937 0,645
B5-105 600,000 288,184 18892,160 30,000 24,750 15,287 0,680 1,030 1,430 144,810 12,437 11,815 1,065 1,359 137,570 0,631
Pemilihan Propeller [2] Propeller Type propeller : B screw series Jumlah blade :5 Ae/Ao : 0,6 Diameter : 12,311 feet = 3,752 m N. Propeller : 288,184 rpm Dengan pertimbangan memiliki efisiensi terbesar yaitu 65,7%.
Analisa Engine Propeller [1] Diagramn koefisien thrust VS koefisien advance
Analisa Engine Propeller [2] Pembacaan koefisien thrust, koefisien torque, Koefisien advance Pada diagram open water
Analisa Engine Propeller [3] Diagram beban propeller pada kondisi trial
Analisa Engine Propeller [4] Diagram beban propeller pada kondisi service
DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL
Konsep Desain Kontrol
Pemodelan Matematis [1] Kontrol pitch propeller
Servo valve 𝐼(𝑠) 1 = 𝐸(𝑠) 𝐿𝐿 + 𝑅 𝑋 𝑠 𝐵𝐵 = 𝐼 𝑠 𝑀𝑠 2 + 𝐶𝐶 + 𝑘
Servomotor hidrolika 𝑌(𝑠) 𝐾 = 𝑋(𝑠) 𝑠
Crank 𝜃(𝑠) 1 = 𝑦(𝑠) 𝑟
Pemodelan Matematis [2] Kontrol kecepatan propeller
Servo valve 𝐼(𝑠) 1 = 𝐸(𝑠) 𝐿𝐿 + 𝑅
𝑋 𝑠 𝐵𝐵 = 𝑀𝑠 2 + 𝐶𝐶 + 𝑘 𝐼 𝑠
Servomotor hidrolika 𝑌(𝑠) 𝐾 = 𝑋(𝑠) 𝑠
Diesel engine 𝐶1 . 𝑚̇ 𝑠 𝐶2 𝑛 𝑠 = 𝑚̇ − 𝑇𝐿 𝐶1 1 + 𝜏1 . 𝑠
Pemodelan Matematis [3] Torsi propeller
Koefisien Advance 𝐽=
𝑉𝑉 𝑛. 𝐷
𝐽 = 𝑄3 𝑉𝑉 + 𝑄4. 𝑛
Grafik Kq
Propeller torque
𝐾𝑄 = 𝑓(𝑃�𝐷 , 𝐽)
𝑄 = 𝐾𝑄 . 𝜌. 𝑁 2 . 𝐷5
𝐾𝑄 = 𝑄1 𝑃�𝐷 + 𝑄2. 𝐽
𝑄 = 𝑄5 𝐾𝑄 + 𝑄6 𝑛
Pemodelan Matematis [4] Gaya dorong propeller
Koefisien Advance 𝐽=
𝑉𝑉 𝑛. 𝐷
𝐽 = 𝑇3 𝑉𝑉 + 𝑇4. 𝑛
Grafik Koefisien Trust 𝐾𝑇 = 𝑓(𝑃�𝐷 , 𝐽)
𝐾𝑇 = 𝑇1 𝑃�𝐷 + 𝑇2. 𝐽
Propeller Thrust 𝑇 = 𝐾𝑇 . 𝜌. 𝑛2 . 𝐷4 𝑇 = 𝑇5 𝐾𝑇 + 𝑇6 𝑛
Thrust Deduction Factor 𝑇𝐸 =𝑡 𝑇𝑃
Pemodelan Matematis [5] Dinamika kapal
Kecepatan Kapal
Kecepatan Advance
𝑇 − 𝑅 = 𝑚. 𝑎
𝑉𝑉 = (1 − 𝑤) 𝑉
Desain Kontrol Sistem Propulsi
Pemodelan Matlab-Simulink [1] Kontrol pitch propeller
Pemodelan Matlab-Simulink [2] Kontrol kecepatan propeller
Pemodelan Matlab-Simulink [3] Kontrol torsi propeller
Pemodelan Matlab-Simulink [4] Kontrol gaya dorong propeller
Pemodelan Matlab-Simulink [5] Kontrol dinamika kapal
ANALISA DAN PEMBAHASAN
Simulasi Loop Terbuka [1] Kontrol pitch propeller
Input: - Unit step pada kondisi operasional pitch propeller 0,975
Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang diinginkan
Simulasi Loop Terbuka [2] Kontrol kecepatan propeller
Input: - Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 4,8 m/s
Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang diinginkan
Simulasi Loop Terbuka [3] Kontrol sistem propulsi
Input: - Unit step pada kondisi operasional pitch propeller 0,975 - Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 0,975
Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang diinginkan
Simulasi Loop Tertutup [1] Kontrol pitch propeller Watak
Input: - Unit step pada kondisi operasional pitch propeller 0,975
Respon PID
Settling time
2,09 s
Rise time
1,12 s
Overshot
0,886 %
Steady state error
0,01
Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang diinginkan
Simulasi Loop Tertutup [2] Kontrol kecepatan propeller Watak
Input: - Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 4,8 m/s
Respon PID
Settling time
19 s
Rise time
11,8 s
Overshot
0,835 %
Steady state error
0,03
Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang diinginkan
Simulasi Loop Tertutup [3] Kontrol sistem propulsi Watak
Input: - Unit step pada kondisi operasional pitch propeller 0,975 - Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 4,8 m/s
Respon
Settling time
30,61 s
Rise time
15 s
Overshot
0%
Steady state error
0
Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang diinginkan
Analisa Kestabilan Sistem[1] Transfer fuction plant kontrol pitch propeller
Transfer fuction plant dan controller dengan unity feedback
Pole – pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria kestabilan sistem stabil jika K<169 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±86,1
Analisa Kestabilan Sistem[2] Transfer fuction plant kontrol kecepatan propeller
Transfer fuction plant dan controller dengan unity feedback
Pole – pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria kestabilan sistem stabil jika K<0,69 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±5,87
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan • Diperoleh komponen sistem propulsi kapal mesin diesel 2x23850 kW, gearbox rasio 2,082, dan controllable pitch propeller type screw series B5-60 dengan diameter 3,752 m. Kondisi operasional kapal pada kecepatan 30 knot didapatkan pada P/D 0,975 dan n 4,8 m/s. • Diperoleh pemodelan sistem kontrol kecepatan kapal dan simulasi dengan nilai settling time memenuhi kriteria desain yaitu 19 s. • Diperoleh pemodelan sistem kontrol pitch propeller dan simulasi dengan nilai settling time memenuhi kriteria desain yaitu 2,09 s. • Diperoleh pemodelan sistem kontrol propulsi dan simulasi memenuhi kriteria desain kecepatan kapal 30 knots dengan settling time 30,61 s
Saran Pengembangan selanjutnya dapat dilakukan pemodelan kurva kombinasi pitch dan propeller sehingga didapatkan suatu sistem kontrol propulsi dengan masukan kecepatan kapal dan keluaran kecepatan kapal pada kondisi ahead dan astern dengan disturbance berupa gangguan laut.
Matur Nuwun Thanks You ﺷﻛﺭﺍ Dank u 谢谢 Cпасибо ありがとう ¡gracias धन्यवा
