HYBRID PROPULSION SISTEM (DMP & DEP) FOR TRIMARAN TYPE FAST PATROL BOAT Dedy Wahyudi1), Eddy Setyo Koenhandono2) , Hari Prastowo3), AA. Masroeri4) 1)
Designer of Machinery & Outfitting PT. PAL Indonesia 2,3,4) Fakultas Teknologi Kelautan, ITS, Surabaya.
Abstract A lot of research to develop a patrol boat from the hull shape to propulsion system equipment. For example the model ship type AMV (Advanced Marine Vehicle) was developed starting from the Catamarans, Trimaran until Pentamaran model. Everything is aimed at obtaining the ship design that has the speed and stability. In addition to achieving high-speed vessel must be equipped with propulsion (Main Power) is great, of course, the main engine dimensions, auxiliary equipments and fuel tanks is big. Limitations of space on the ship's engine room trimaran is the main obstacle in designing propulsion system. Hybrid propulsion in a combination of Diesel Mechanical Propulsion (DMP) with Diesel Electric Propulsion (DEP). DMP system is connected directly to the propeller shaft (or through a reduction-gear). Where DMP can provide more efficient rate of 95%. While DEP is only able to provide efficiency by 85% - 89% is slightly lower than DMP, but the DEP offers many advantages such as simplicity and suitability in the rotational speed settings, control systems, engine power production Redundancy, Flexibility in the design of equipments layout in engine rooms, noise, vibration and fuel consumption efficiency which affects the lower pollution. Design of Hybrid Propulsion system to be very difficult to satisfy and achieve all the requirements simultaneously and optimally. Therefore the author made using modeling Maxsurf software and carried out various optimization of the choice of main engine, propeller and system conditions for fast patrol boat cruise, which aims to make design propulsion system design for the fast patrol boat trimaran type and has a lot of favorable factors. Keywords: Patrol boat, speed, trimaran, spaces, hybrid propulsion.
1. Pendahuluan Kapal patroli memiliki misi untuk melindungi dan mengawasi suatu wilayah Perairan dari kegiatan- kegiatan penyelundupan, Pembajakan dilaut, ilegal logging, ilegal fishing, invasi negara asing, dan lain-lain aktifitas yang merugikan negara. Untuk dapat menjalankan fungsinya dengan baik maka kapal patroli harus dirancang cepat, handal, kuat, nyaman dan mempunyai stabilitas yang tinggi merupakan prioritas utama disamping aspek-aspek teknis operasional yang ekonomis dari segi bahan bakar, keselamatan, kenyamanan ABK dan kelengkapan persenjataan. Kecepatan service yang tinggi sampai saat ini merupakan salah satu faktor utama yang harus dimiliki kapal patroli. Banyak riset untuk mengembangkan kapal patroli mulai dari bentuk badan kapal sampai peralatan sistem propulsinya, Misalnya model kapal jenis trimaran. Hasil suatu penelitian menunjukkan bahwa kapal trimaran dibandingkan engan kapal jenis monohull yang sepadan, dengan power sekitar 3000 kw didapatkan peningkatkan kecepatan service 1-2 knot ( OMCC Maritime 2003).
Gambar 1. perbandingan kecepatan kapal trimaran dengan monohull jumlah badan kapal trimaran yang tercelup air yang berjumlah banyak akan didapatkan volume ruangan dalam kapal kapal trimaran akan lebih sempit. Dan inilah yang menjadi kendala utama dalam mendesain sistem propulsinya. Dari beberapa referensi bahwa dalam memperoleh kecepatan yang relatif tinggi, penggerak kapal trimaran di design dengan high speed diesel engine yang di padukan dengan propulsor water jet. Penerapan Propulsi jenis water jet di indonesia masih kurang effektif, kendala utama adalah perairan indonesia memiliki banyak perairan yang dangkal dan berlumpur, disamping itu attitude masyarakat dalam menjaga kebersihan perairan indonesia masih sangat rendah. Dalam paper ini dilakukan study tentang penerapan sistem propulsi hybrid dengan propeler konvensional untuk kapal patroli jenis trimaran. 2. Teori & Formula Hybrid propulsion dalam hal ini merupakan perpaduan antara Diesel Mechanical Propulsion (DMP) dengan Diesel Electric Propulsion (DEP). Sistem DMP yang dihubungkan langsung ke poros propeller (atau melalui reduction-gear). Secara umum kapal yang bergerak di media air dengan kecepatan tertentu, maka akan mengalami gaya hambat (resistance) yang berlawanan dengan arah gerak kapal tersebut. Besarnya gaya hambat total ini merupakan jumlah dari semua komponen gaya tahanan yang bekerja di kapal, meliputi Tahanan Gesek, Tahanan Gelombang, Tahanan Appendages, Tahanan Udara, Tahanan Residu dsb (Surjo WA,2006).
Rt = 0.5 xρxC f xSxVs2 .........................................(1)
Gambar 2. Gaya-gaya yang bekerja pada sistem penggerak kapal - Daya Efektif (PE) adalah besarnya daya yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya hambat dari badan kapal (hull), agar kapal dapat bergerak dengan kecepatan servis sebesar Vs.
PE = Rt xVs ..................................................(2) - Daya Dorong (PT) adalah besarnya daya yang dihasilkan oleh kerja dari alat gerak kapal (propulsor) untuk mendorong badan kapal.
Pt = TxVa ...................................................(3) - Daya Yang Disalurkan ( PD ) adalah daya yang diserap oleh baling-baling kapal guna menghasilkan Daya Dorong sebesar Pt
PD = 2πQD n p ...................................................(4)
- Daya Poros (PS) adalah daya yang terukur hingga daerah di depan bantalan tabung poros (stern tube) dari sistem perporosan penggerak kapal. Effisieiensi shaft sekitar 98% dari Daya Rem / Brake Power (PB . - Propeller torque seperti persamaan dibawah ini, ……..............….........…(5) - Efisiensi Baling-baling (Open water)
..........................................(6) - Efisiensi Baling-baling (Behind the Ship)
…………….......................(7) 3. Perencanaan sistem propulsi Adapun langkah perencanaan system propulsi hybrid pada kapal trimaran adalah sebagai berikut:
Gambar 3. Flow chart Perencanaan sistem propulsi 4. Permodelan kapal Dalam perencanaan ini dilakukan pengambilan data kapal yang sudah ada, kemudian dilakukan permodelan kapal dengan menggunakan software maxsurf 11.12 terlihat pada gambar 4. Dengan permodelan di maxsurf ditujukan untuk mendapatkan lines plan kapal, adapun dimensi utama kapal adalah sebagai berikut: Lwl = 50.975 m Beam = 14.299 m Draft to Baseline = 2.286 m Immersed depth = 1.946 m Displacement = 134.4 ton WSA = 370.1 m^2 Cb = 0.558
(a) Perspective view
(b) Body Plan
(c)Plan view (d) Sheer Plan view Gambar 4. Permodelan dengan software Maxsurf 11.12 5. Analisa Permodelan
Hasil Permodelan yang hari software maxsurf 11.12 kemudian dilakukan analisa hambatan total (Rt) dan daya Lambung kapal.
(a) ) Hull Speed Running Plan view (b) Hull Speed Running Side view Gambar 5. hasil analisa permodelan dengan sorftware Hull Speed 11.12 software hullspeed analisys dapat diperoleh besarnya tahanan kapal dan kebutuhan power delivery kapal (PD) seperti terlihat pada grafik 1.
Daya e fe ktif Vs Ke ce patan Dinas
Tahanan Vs Ke ce patan Dinas
5000
250
4500 4000
200
Power (kW)
Rt (kN)
3500
150
100
3000 2500 2000 1500
50
1000 500
0 0
10
Rt ch
Rt s erv.
20
30
40
0
50
0 PE ch
Vs (knot)
10
20
30
40
Vs (knot)
PE s erv.
(a) Grafik karakteristik tahanan kapal (b) Grafik Power & speed Prediction Grafik1. Speed, Resistance & Power Prediction Dari grafik diatas diketahui Tahanan total trial kapal adalah 179.8 kN dan power efektif trial (PE) sebesar 4070 kW. 6. Layout Shafting arrangement
Penerapan Sistem hybrid propulsion adalah penggabungan antara Diesel Mechanical Propulsion (DMP) dan Diesel Electric Propulsion (DEP).Pada perencanaan kapal trimaran ini DMP di terapkan pada lambung kapal bagian tengah (center hull), sedangkan DEP diterapkan pada lambung kapal bagian samping .
Gambar 6. Skema DEP & MEP diruang mesin System hybrid propulsion (DEP dan DMP) direncanakan untuk melayani beberapa kondisi operasional untuk kapal patroli. Adapun beberapa kondisi pelavaran yang sering dilakukan pada kapal patroli antara lain Pengejaran(SAR), Pengangkutan (Transit), Patroli (Patroling in economic speed) dan Pengintaian (Loatering), adapun waktu operasional pada tiap-tiap kondisi terlihat pada table 1 (MTU,2004). Tabel 1. Pembagian daya DEP & DMP Jenis % POWER
Vs
Kondisi
DMP
DEP
(Knot)
Pengejaran (SAR)
100%
100%
40
Pengangkutan (Transit)
50%
%
>18
Patroli (Patroling)
0%
100%
12
Pengintaian (Loatering)
0%
50%
<10
50
7. Pemilihan Propeller Pada awal perencanaan kapal pemilihan propeller, penentuan diameter maksimum harus memperhatikan beberapa jarak antara propeller dengan lambung kapal (MTU Project guide).Setelah dilakukan optimasi diameter propeller maka di dapatkan diameter maksimum propeller 1.45 meter untuk propeller bagian tengah, dan 1.08 meter pada bagian samping. Dalam kasus ini pilih type propeller B-Series dengan cara melakukan Iterasi pada Pitch Propeller pada propeller tipe B3-35, B3-60, B4-55, B4-70, B5-60, B5-70, B5-100, B5-105. 8. Pemilihan Prime Mover (DEP & DMP) Dari tabel Persentase pembagian daya (tabel 1) kemudian dilakukan optimasi daya sehingga didapatkan ditentukan daya yang paling optimum DEP dan DMP pada daya trust propeller yang optimum pula. Tabel 2. Daya Break DEP & DMP % PB Unit Total PB
Power Break (kw) DMP 3328.69 2 6657.38
DEP 230.1 2 460.2
Total 3558.79 7117.58 Asumsi effisiensi pada DMP adalah : - Eff G.box : 98 % - Eff Shaft : 98 % - Eff Propeller : 60% Asumsi effisiensi pada DEP adalah : - Eff Alter. : 96 % - Eff Trasf. : 97% - Eff Motor : 95 % - Eff Shaft : 98 % - Eff Propeller : 60%
Dari beberapa effisiensi diatas dapat di ketahui total effisiensi untuk DEP adalah sekitar 0.52 sedangkan Effisiensi DMP sekitar 0.57. Pertimbangan dalam memilih mesin hendaknya dilakukan secara teknis dan ekonomis. Adapun secara teknis pemilihan mesin tergantung pada type kapal, kemudian ditentukan urutan dari karakteristik mesin yang di utamakan, untuk kapal patroli urutan pemilihan mesin diantaranya adalah:1) Berat mesin, 2) Dimensi mesin, 3) Power mesin, 4) RPM mesin, 5) Konsumsi bahan bakar. Berdasarkan pertimbangan diatas maka pemilihan mesin diesel dan motor listrik yang paling cocok untuk kapal trimaran adalah : Spec. Engine
Spec Motor AC
Spec Generator
Merek : MTU Type : 16V4000M93L Power : 3440 Kw at MCR Putaran : 2100 Rpm Berat : 11272 kg Sfoc : 230 kg/hr at MCR Jumlah : 2 Unit G. Box : ZF 9050 Ratios : 1 : 2.516
Merk :LS LEROY SOMER Type : LSK 2254 Daya : 235 KW Power Source : 260 kw / 3 phase / 50 Hz. Putaran : 1480 Rpm Berat : 920 kg Jumlah : 2 Unit G.Box : Twindisc MG5061SC Ratios : 1 : 2.04
Merek : Caterpilar Type : C18 Genset Power : 450 eKW / 3 Phase / 50 Hz Putaran : 1500 Rpm Berat : 3799 kg Sfoc : 209 kg/hr Jumlah : 2 Unit
9. Kesimpulan & saran Dari analisa data diatas dapat kita tarik beberapa kesimpulan: - Perancangan system propulsi hybrid untuk kapal patroli jenis trimaran dengan meletakkan propulsi listrik dilambung-lambung bagian samping akan memberikan tambahan keandalan kapal pada tiap operasi pelayaran. - Dengan pengoperasian yang sesuai kondisi pelayaran maka dapat dilakukan pemilihan yang cocok mesin mana yang harus di perasikan, sehingga hal ini akan dapat mengurangi konsumsi bahan bakar. - Dalam pemilihan propeller FPP yang optimum pada semua kondisi pelayaran akan sulit dicapai semua, untuk mendapatkan daya propeller yang optimum pada semua permesinan akan terpenuhi jika dipasang dengan menggunakan CPP. - Bentuk badan kapal pada bagian samping kapal trimaran tidak simetris sehingga aliran fluida yang melewatinya akan memiliki perbedaan tekanan dan aliran, sehingga hal ini akan berakibat berkurangnya effisiensi propeller, sehingga hal ini perlu dilakukan kajian kembali mengenai bentuk badan kapal bagian samping yang cocok. 10. Ucapan Terimakasih Ucapan Syukur kepada Allah SWT. Yang telah melimpahkan hidayahnya, dan terima kasih kepada Istri dan anak-anaku tercinta yg menjadi tumpuan & harapan saya, pak AA.Masroeri, Pak Hari Prastowo, pak Edy Setyo K, Pak Wisnu yang telah membimbing dalam penyelesaian study ini. Dan tak lupa semua rekan kerja di PT PAL Indonesia, serta semua teman di Pasca Sarjana S2 dan S3 FTK, ITS atas bantuan dan kerjasamanya selama ini. 11. Daftar Simbol PE RT VS PT T Va PD QD np Cb
= Daya Efektif, (kW) = Gaya Hambat Total, (kN) = Kecepatan Servis kapal [{Kec. dlm Knots} * 0.5144 = {Kec. dlm m/det}] = Daya Dorong, (kW) = Trust atau Gaya Dorong ropeller, (kN) = Kecepatan advanced aliran fluida di bagian Buritan kapal [m/det] = Vs ( 1 – w ); yangmana w adalah wake fraction (fraksi arus ikut). = Daya Yang Disalurkan, dlm. satuan kWatt = Torsi Baling-baling kondisi dibelakang badan kapal, dlm. satuan kNm = Putaran Baling-balin, dlm. satuan rps = Coefisien block
12. Daftar Pustaka 1) Design engineer, OMCC Maritime,2003 2) K.J.Maki, L.J.Doctors, R.M.Scher, W.M.Wilson,S.H.Rhee, A.W.Troesh, R.F.Beck, (2008), Conceptual Design and Hydrodinamic Analisis of a High-Speed Sealift Adjustable – Length Trimaran. 3) Adji Surjo W, (2006), Pengenalan sistem propulsi kapal, Surabaya, ITS. 4) Suyadi, Diesel electric propulsion sebagai alternatif Power plant pada kapal-kapal komersial, Semarang , UNDIP. 5) M.M. Bernitsas,Dkk.,KT,KQ and Efficiency Curve for the Wegeningen B-series propellers, 6) Gerhard Gotz,Dkk.,Technical Project guide marine application, MTU, 2004. 7) John Carlton, Marine propeller & Propulsion, 2007.
