AMAN JUDUL
KAJIAN HIDRODINAMIKA VANE TURBIN AXIAL UNTUK PENYERAPAN ENERGI TERBUANG DARI ULEKAN DI BELAKANG PROPELLER Setyo Leksono NRP. 4108 301 007
DOSEN PEMBIMBING 1. Prof. Ir. I.K.A .P Utama, M.Sc., Ph.D 2. Prof.Dr.Ir. I.M.A Djoni, M.Sc 3. Ir. Wasis D. Aryawan, M.Sc., Ph.D
(Promotor) (Co.Promotor) (Co.Promotor)
PROGRAM DOKTOR PROGRAM STUDI TEKNIK KELAUTAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014
AMAN JUDUL
ASSESSING HYDRODINAMICS OF AXIAL VANE TURBINE FOR ABSORBING THE ENERGY LOSSES OF VORTEX BEHIND PROPELLER Setyo Leksono NRP. 4108 301 007
PROMOTOR AND CO.PROMOTOR 1. Prof. Ir. I.K.A .P Utama, M.Sc., Ph.D 2. Prof.Dr.Ir. I.M.A Djoni, M.Sc 3. Ir. Wasis D. Aryawan, M.Sc., Ph.D
(Promotor) (Co.Promotor) (Co.Promotor)
DOKTORAL PROGRAM PROGRAM STUDI TEKNIK KELAUTAN FACULTY OF OCEAN ENGINEERING INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014
ABSTRAK Bila propeller berputar, air di sekitarnya akan bergerak dari depan ke belakang sehingga membentuk aliran slipstream. Propeller berputar akan menghasilkan dua macam aliran di belakangnya, aliran axial (axial velocity) dan aliran berrotasi (tangetntial velocity). Otto Grim mengusulkan penggunaan Vane Wheel di belakang propeller untuk meminimalkan kehilangan energi. Grim Vane wheel tersusun dari bentuk turbin untuk bagian dalamnya dan bentuk propeller bagian luarnya. Bagian turbin akan menyerap energi gerak aliran slipstream dan menghasilkan negatif thrust dan negatif torque. Bagian luarnya akan menghasilkan positif thrust dan positif torque. Tetapi sistem ini mempunyai banyak kelemahan berkaitan dengan konstruksinya , erosi daun dikarenakan tip vortex propeller dan retakan pada daunnya. Metode yang diusulkan sekarang adalah untuk mereduksi permasalahan yang terjadi pada Grim vane wheel dengan menggunakan vane turbin di belakang propeller. Energi kinetic dari aliran slipstream diubah menjadi energi mekanik untuk menggerakkan/memutar turbin di belakang propeller guna menghasilkan listrik. Untuk menghindari interferensi dengan tip vortex propeller, maka diameter turbin dibuat lebih kecil daripada diameter propeller. Turbin dipasang tepat di belakang propeller. Semua hal yang berkaitan dengan proses penelitian akan dilakukan secara analitis. Teori momentum, metode elemen daun dan teori garis angkat digunakan untuk menganalisa aliran di belakang propeller dan untuk menghitung gaya-gaya hidrodinamika pada vane turbin. Hipotesa gaya-gaya hidrodinamika vane turbin, dianalisa dengan menggunakan konsep actuator disc. Analisa Jalur (Path Analysis) digunakan untuk mengevaluasi pengaruh L/B, B/T, w (wake fraction) dan CT (Coefficient Thrust loading propeller) terhadap effisiensi daya mesin terhadap kinerja kapal. Ada 30 buah kapal dari berbagai tipe dan jumlah poropeller yang telah dianalisa. Sebagai bahan masukan untuk mengevaluasi vane turbin, data powering kapal dihitung dengan menggunakan perangkat lunak perhitungan powering kapal
(DESP code 10) dan data dari model test. Ada dua aspek utama yang perlu diperhatikan. Pertama , vane turbin akan menghasilkan gaya hidrodinamika negatif (negative thrust) sehingga kecepatan kapal bisa berkurang (kehilangan kecepatan). Kedua, sistem yang ditawarkan menghasilkan daya (power) dalam bentuk energi listrik sehingga bisa mengurangi kehilangan energi dan menyetimbangkan kehilangan energi akibat penurunan kecepatan.. Dari penelitian ini ditemukan bahwa ratio antara power turbin-propeller (Pt/Ps) dan thrust turbin-propeller (Tt/Tp) akan mempengaruhi besaran energi gain. Ini dapat dipresentasikan dalam bentuk fungsi y 13.51ln( x) 4.922 . Supaya propelller vane turbin memberikan retrofit yang cukup baik maka harga ratio tersebut tidak boleh lebih dari 9 %. Untuk kapal berbaling-baling tunggal, vane turbin dapat meningkatkan power effisensi sebesar 3 – 15 %. Besarnya effisiensi gain bergantung pada harga Thrust Loading propeller kapal. Kapalkapal berbaling ganda, aplikasi vane turbin di belakang propeller tidak direkomendasikan. Kata Kunci : propeller, slipstream, turbin, vane, effisiensi gain
ABSTRACT When the propeller rotates, it draws fluid into itself from the surrounding area (slipstream). The propeller produces two types of flow behind it, accelerated flow (axial velocities) and circulating flow (tangential velocities). Otto Grim proposed to minimize the energy losses by using Grim vane-wheel. The turbine part of Grimwheel utilizes the velocities to exert negative thrust and torque on the Grim Wheel, the outer part exerts a positive thrust and positive torque. But this system has many problems concerning with the construction (supporting structure), erosion due to its exposure to the tip vortex of the propeller and crack on the blades. The present method proposed to examining energy losses and assessing the problem of Grim-wheel by using vane-turbine behind the propeller. The kinetic energy of the axial velocities in the slipstream behind propeller is converted to mechanic energy to rotate the vane-turbine behind propeller and to produce electric. To avoid the tip vortex of the propeller, the diameter of vane-turbine is smaller than diameter of the propeller and the position of the turbine is axially closed to the propeller. All the cases concerning with the present method will be carried out by using analytical methods (momentum theory, blade element theory and lifting line theory) to analyze the flow behind propeller and hydrodynamics force of the vane turbine. Hypothesis of hydrodynamics force of the vane turbine, was analysed by using actuator disc concept. The Path Analysis was used for evaluating the effect of L/B, B/T, w (wake fraction) and CT (Coefficient of propeller thrust loading) on the efficiency of ship power. There are 30 ships with various types and a number of propellers have been analyzed. As an input for evaluating the vane turbine, the ship powering data was calculated by using ship powering software (DESP code 10) and from model testing. Two aspects were taken into considerations. First, the vane turbine produced a negate
ve hydrodynamics force (negative thrust) which causes the ship speed is loss. Secondly, the vane turbine gives an additional power and reduces the energy losses. It is found that the ratio between power (Pt/Ps) and thrust (Tt/Tp) will affect the efficiency gain of the vane turbine. It can be presented as a function of
y 13.51ln( x) 4.922 . For beneficial point of view, the ratio between thrust turbine and thrust propeller should not exceed than 9%. For single screw ship, the propeller vane turbine can enhance the power efficiency gain by 3-15 %. The efficiency gain depends on the value of the coefficient thrust loading of the propeller. For twin screw ship, the application of vane turbine behind the propeller is not recommended. Key words : propeller, slipstream, vane, turbine, efficiency gain
KATA PENGANTAR Bismillaahirrohmanirrohim, Dengan
mengucap
syukur
Alhamdulillah
serta
sholawat
kepada
junjunganku nabi besar Muhammad saw, akhirnya disertasi program doctoral ini telah purna untuk ditulis. Juga kepada kedua orangtuaku, bapakku Moestakim (alm), bundaku Soemini (almh.) serta anakku Ahmad Sayyid Widyahutama (alm.) sebagai penyemangat hidupku, semoga Allah menempatkan mereka pada surgaNya. Ucapan terima kasih dan rasa hormat yang setinggi tingginya kepada : 1. Prof.Ir. IKAP Utama, M.Sc, Ph.D sebagai promotor 2. Prof.Dr. Ir. MA Djoni, M.Sc sebagai Co.promotor 3. Ir.WD Aryawan, M.Sc, Ph.D sebagai Co.pomotor yang telah membimbing penulis untuk menyelesaikan study dengan penuh kesabaran dan perhatian. Juga kepada : 1. Ir.Wisnu Wardhana, S.E, M.Sc, PhD sebagai penguji internal 2. Dr.Ir. Ketut Suatika sebagai penguji internal 3. Ir.Aries Sulistiyono, M.Sc, Ph.D sebagai penguji internal 4. Dr.Ir. Erwandi, M.Eng sebagai penguji eksternal dan sebagai pimpinan saya di UPT BPPH , Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi 5. Bapak Prof.Ir. Eko Budi Djatmiko, MSc., PhD., selaku Dekan Fakultas Teknologi Kelautan, ITS 6. Dr. Rudi Walujo Prastianto, ST, MT sebagai Koordinator Pasca Fakultas Teknologi Kelautan 7. Dr.Ir . Erzi Agson Gani, M.Eng , sebagai Deputi Kepala Bidang TIRBRBPPT, saya haturkan ucapan terima kasih atas segala perhatian yang diberikan. Kepada rekan-rekanku, Dr.Ir. Andi Jamaluddin, MSc, Dr.Ir. Eliza Ramses de Fretes, MT, Ir.Baharudin Ali, M.Eng. yang telah banyak membantu dan memberikan semangat belajar kepada penulis, semoga Allah melimpahkan rahmat dan berkah Nya kepada saudaraku tersebut..
Kepada rekan-rekan kerja di UPT BPPH – BPPT, rekan rekan seperjuangan di FTK, serta rekan-rekan lain yang telah banyak memberikan dorongan baik moril maupun spirituil kepada penulis selama dalam menyelesaikan study, saya haturkan terima kasih semoga Allah menggantikannya dengan berkah dan rahmat. Terakhir kepada istriku tercinta E Zakiyah, SE serta keempat anak-anakku Ardhian, Levana, Radix dan Sabryna sebagai pengobar semangat dan ketabahan dalam penyelesaian study ini. Sekali lagi, puji syukurku kepada Mu Ya Allah atas karunia dan nikmat yang Kau berikan kepada hambaMu ini. Sholawat dan salam kupanjatkan kepada junjunganku Nabi besar Muhammad SAW.
Surabaya, 28 Agustus 2014
Penulis
DAFTAR ISI Halaman Kata Pengantar
i
Daftar Isi
ii
Daftar Simbol/Notasi
iv
Daftar Tabel
vi
Daftar Gambar
vii
Bab.1 PENDAHULUAN
1
1.1. Latar Belakang
1
1.2. Perumusan Masalah
3
1.2.1. Analisa awal
4
1.2.2. Analisa lanjut Sistem propeller-turbin .
4
1.2.3. Tahapan penelitian .
5
1.3. Tujuan penelitian
6
1.4. Manfaat Penelitian
7
1.5. Batasasan Masalah
5
1.6. Sistematika Penulisan
8
2. KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
11
2.1. Teori propeller
11
2.1.1. Teori Momentum
11
2.1.2. Teori Elemen Daun ( Blade Element Theory)
13
2.1.3. Teori Sirkulasi
18
2.1.4. Self Induced Velocity Propeller
19
2.1.5. Propeller wake
18
2.1.6. Efisiensi propeller dan koefisien energi
28
2.1.7. Propeller Slipstream dan Energi Terbuang
39
2.2. Turbin
36
2.2.1. Momentum theory
39
2.2.2. Teori Blade Elemen momentum
44
2.3. Aliran propeller turbin
47
2.2.4. Induksi faktor
47
2.2.5. Power coefficient
49
3. METODOLOGI
51
3.1.Analisa awal propeller-turbin
51
3.1.1. Kecepatan aliran slipstream
51
3.1.2. Perhitungan Parameter Design Propeller-Turbin
53
3.1.3. Perhitungan Diameter Turbin
67
3.1.4. Perhitungan performance propeller turbin
60
3.2.Analisa lanjut performance propeller turbin
62
3.2.1 Komponen kecepatan propeller-turbin
63
3.2.2. Perhitungan Daya Turbin
67
3.3. Uji Statistik
71
3.3.1. Analisa pengaruh bentuk kapal terhadap Efficiency Gain Propeller-Turbin dengan metode Path Analysis 3.3.2. Uji Distribusi Normal Data 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Kecepatan aliran menuju Turbin
71 73 77 77
4.2. Perhitungan performance Vane turbin dengan teori Actuator Disc 4.3. Analisa Lanjut Perhitungan performance Vane turbin
84 91
4.4. Pengaruh main dimension ratio kapal terhadap Efficiency Gain Propeller-Turbin 4.5. Kenormalan Data
97 105
4.6. Pengaruh Ratio antara Thrust dan Power dari Turbin dan Propeller terhadap Efficiency Gain 5. KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA .
104 109 113
DAFTAR GAMBAR
1. Gambar 1.1. Prosentasi energi pada propeller 2. Gambar 1.2. Konsep propeller-turbin di propeller slipstream 3. Gambar 1.3. Diagram Tahapan penelitian 4. Gambar 1.4. Skema penulisan disertasi 5. . Gambar 2.1. Teori momentum propeller (Obrien,1969) 5. Gambar 2.2.Pencacahan daun propeller pada teori Blade Element 6. Gambar 2.3. Komponen gaya-gaya pada teori Blade Element 7. Gambar 2.4. Pengaruh inflow faktor terhadap komponen kecepatan 8. Gambar 2.5. Komponen kecepatan Elemen Daun Propeller 9. Gambar 2.6. Sirkulasi Teori 10. Gambar 2.7. Diagram gaya/kecepatan pada elemen daun propeller pada radius r (Epps, 2010) 11. Gambar 2.8. Aliran pada sistem Actuator disc 12. Gambar 2.9. Sistem vortex Lifting line konvensional 13. Gambar 2.10. Improved vortex system (Dyne,1980) 14. Gambar 2.11. Tabung aliran untuk menurunkan “Koefisien Energi” (Olsen,2001) 15. Gambar 2.12a. Komponen kecepatan axial di belakang propeller 16. Gambar 2.12b. Hasil pengukuran axial velocity pada 0.25D di belakang piringan propeller tanpa adanya propeller (a), dan adanya pengaruh bekerjanya propeller (b) 17. Gambar 2.13. Diameter slipstream di belakang propeller (x adalah jarak axial titik pengukuran terhadap propeller plane) 18. Gambar 2.14. Macam-macam kerugian pada propeller (Glover,1987) 18. Gambar.2.15a. Analisa turbin dengan Model Actuator disc ( Manwell et al., 2002) 19. Gambar 2.15b. Analisa turbin dengan Model Actuator disc ( Manwell et al., 2002)
20. Gambar 2.16. Flow di dalam daun turbin 21. Gambar.2.17. Gaya-gaya pada daun turbin 22. Gambar 2.18. Velocity diagram pada element daun propeller yang ada blockage effectt (Molland, 1994) 23. Gambar 2.19. Diagram Kecepatan propeller-turbin (Chen, 1989). 24. Gambar 2.20. Diagram Kecepatan propeller dan turbin (Epps, 2010) 25. Gambar 2.21. Diagram Kecepatan propeller-turbin (Blaurock, 1983) 26. Gambar 3.1. Diagram Kecepatan CRP (Holtrop, 2001) 27. Gambar 3.2. Peningkatan wake fraction kapal single screw dengan penurunan 10% diameter.(Holtrop,2001) 28. Gambar 3.3. Tampilan Program masukan (in put) DESPPC. 28. Gambar 3.4. Diagram alir perhitungan performance Propeller-Turbin.. 29. Gambar 3.5. Analisa Lanjut Propeller vane turbin 29. Gambar 3.6. Bodi diagram kecepatan potongan daun Propeller Turbin 30. Gambar 3.7. Diagram alir Design Propeller dengan Lifting Line Theory 31. Gambar 3.8. Foil Naca 0012 32. Gambar 3.8. Diagram Alir perancangan Turbin 33. Gambar 3.9. Diagram Alir perancangan Turbin 34. Gambar 3.10. Diagram Path Analysis dengan Program Excell 35. Gambar 3.11. Kurva distribusi Normal 36. Gambar 4.1a. CT pada operasional kecepatan kapal ( Tanker single screw). 37. Gambar 4.1b. CT pada operasional kecepatan kapal ( Bulk Carrier single screw). 38. Gambar 4.1c. CT pada operasional kecepatan kapal (Container single screw). 39. Gambar 4.1d. CT pada operasional kecepatan kapal ( Pax 200 twin screw). 40. Gambar 4.1e. CT pada operasional kecepatan kapal ( Cruise Liner twin screw). 41. Gambar 4.2a. Kecepatan aliran terhadap CT pada Kapal Tanker (single screw) 42. Gambar 4.2b. Kecepatan aliran terhadap CT pada Kapal Bulk Carrier (single screw) 43.Gambar 4.2c. Kecepatan aliran terhadap CT pada Kapal KCRS (twin screw) 44. Gambar 4.2d. Kecepatan aliran terhadap CT pada Kapal KPC (twin screw)
45. Gambar 4.3. Advanced dan Slipstream velocity pada 14 buah obyek penelitian 46. Gambar 4.3. Kurva speed loss Kapal Tanker 17500 DWT 47. Gambar 4.4 . Penghematan Daya pada pemakaian propeller turbin untuk beberapa tipe kapal sebagai fungsi Thrust loading (CT) 48. Gambar 4.5. Penghematan Daya pada pemakaian propeller turbin untuk beberapa tipe kapal sebagai fungsi ratio self induced velocity-advance velocity 49. Gambar 4.6. Hubungan antara CT terhadap Induced velocity propeller. 50. Gambar.4.7a. Ratio Radial Axial induced velocity terhadap Advance velocity kapal Tanker 17500 DWT 51. Gambar.4.7b. Ratio Radial Tangential induced velocity terhadap Advance velocity kapal Tanker 17500 DWT 52. Gambar.4.7c. Ratio Radial Axial dan Tangential induced velocity terhadap Advance velocity kapal Tanker 17500 DWT 53. Gambar 4.8 . Sudut puntir (Twist) daun Turbin 54. Gambar 4.9 Lift Coefficient NACA 0012 55. Gambar. 4.10. Pengaruh jumlah daun pada Cp dan faktor induksi. 56. Gambar 4.11. Optimasi diameter turbin terhadap Cp 57. Gambar 4.12. Path Diagram varibel eksogen terhadap EG 58. Gambar 4.13. Diagram Jalur pengaruh Koefisien kapal terhadap EG 59. Gambar 4.14. Eff.Gain propeller-vane turbin pada obyek penelitian. 60. Gambar 4.15. Diagram Jumlah propeller pada obyek penelitian 61. Gambar 4.16. Efficiency Gain dan Ratio Thrust turbin terhadap Thrust propeller pada masing-masing obyek penelitian. 62. Gambar 4.17. Ratio Power turbin terhadap Power propeller pada masingmasing obyek penelitian. 63. Gambar 4.18. Kurva distribusi normal pada obyek penelitian terpilih 64. Gambar 4.19. Diagram efficiency Gain dan ratio Thrust turbin terhadap Thrust Propeller 65. Gambar 4.20. Diagram efficiency Gain dan ratio Power turbin terhadap Power propeller.
66. Gambar 4.21. Effisiensi Gain terhadap ratio Thust dan Power antara Turbin dan Propeller. 67. Gambar 4.22 Hubungan antara Efficiency Gain dengan Ratio (Pt/Ps)/(Tt/Ts)
DAFTAR TABEL
1. Table.1. Simplified prediction of propeller inflow/outflow properties 2. Tabel.2. Komponen kecepatan pada 0.25D di belakang propeller relative terhadap kecepatan kapal 3. Tabel 3.a-e. Ukuran/dimensi kapal (obyek penelitian) 4. Tabel 4.a-e. Hasil perhitungan optimasi propeller pada beberapa obyek penelitian 5. Tabel 5.a-e. Hasil perhitungan powering pada beberapa obyek penelitian 6. Tabel.6. Diameter propeller dan diameter Turbin pada beberapa tipe 7. Tabel.7. Tip speed ratio turbin 8. Tabel 8. Distribusi frekuensi 9. Tabel. 9. Tabel Chi Kuadrat 10. Tabel.10. Parameter design turbin 11. Tabel 11. Hasil Perhitungan Performance Turbin 12. Tabel. 12a. Pengaruh positif akibat pemasangan turbin di propeller slipstream untuk kapal single screw 13. Tabel. 12.b. Pengaruh positif akibat pemasangan turbin di propeller slipstream untuk kapal single screw. 14. Tabel.13.a. Pengaruh negatif pemasangan turbin di propeller slipstream untuk kapal twin screw 15. Tabel.13b. Pengaruh negatif pemasangan turbin di propeller slipstream untuk kapal twin screw 16. Tabel.14. Nilai CT, ratio Ui /Va serta EG pada 15 obyek penelitian 17. Tabel. 15 . Panjang potongan seksi daun turbin ke arah radial 18. Tabel. 16. Pengaruh jumlah daun pada Cp dan koefisien faktor induksi 19. Tabel 17. Variabel pada Path Analysis propeller-turbin 20. Tabel.18. Perhitungan Statistik dasar ( rata-rata dan standard deviasi) 21. Tabel 19. Matriks korelasi
22. Tabel.20. Koefisien Regresi Parsial 23. Tabel.21. Koefisien Jalur langsung dan Tak Langsung 24. Tabel.22. Data kapal terpilih untuk membentuk distrbusi normal 25. Tabel 23. Perhitungan Chi Kuadrat obyek terpilih (20 kapal) 26. Tabel.24. Thrust power ratio dan Effisiensi Gain pada obyek penelian
SYMBOL α
Profile Angle of attack
β
Advance pitch angle
βi
Hydrodynamic pitch angle
ρ
Fluid density
Γ
Circulation
ω
Angular velocity
ηO
Propeller open water efficiency
ηi
Ideal efficiency of propeller
Ω
angular velocity of turbine blade
NOTASI a
Velocity factor
Ao
Propeller disc area
Ax
Local jet area
B
Lebar kapal
CD
Drag coefficient
CL
Lift coefficient
CP
Power coefficient
CT
Coefficient Thrust loading
Do
Diameter slipstream contraction (jet diameter)
Dp
Diameter propeller
Dt
Diameter turbin
Dx
Local jet diamater
Fa
Komponen gaya Axial force
Ft
Komponen gaya ke arah tangential
J0
Advance velocity coefficient (berdasar pada kecepatan kapal)
KT
Thrust coefficient
k
local velocity multiplier
KQ
Torque coefficient
LWL
Panjang garis air
Lpp
Panjang garis tegak
n
Rpm
P
Pressure
Po
Atmospherics pressure
Q
Torque
R
Radius Propeller
r
Radius (koordinat silindris)
Rh
Radius Hub
T
Thrust
U
Komponen kecepatan Axial inflow
ua
Axial induced velocity
ut
Tangential induced velocity
ur
Radial induced velocity
u
Komponen kecepatan ke arah axial
Ui
Self induced velocity
v
Komponen kecepatan ke arah tangential
Va
Advance velocity
Vet
Resultante kecepatan pada potongan daun
Vx
Local jet velocity
Vxp
Kecepatan axial aliran slipstream
Vs
kecepatan kapal
w
Komponen kecepatan ke arah radial
w(x)
Local wake fraction
wT
Taylor effective wake fraction
r/R
Nondimensional radius
xp
Jarak axial ke propeller
Z
Jumlah daun
Bab 1 PENDAHULUAN Bab ini berisi latar belakang penelitian, baik dari aspek praktis dan akademis yang berisi rumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian. Penelitian difokuskan pada kehilangan energi pada propeller sebagai alat penggerak kapal. Penelitian ini merupakan pengembangan pemanfaatan energi terbuang menjadi energi yang termanfaatkan. 1.1. Latar Belakang Tiga isu utama dunia yang belakangan ini muncul adalah masalah krisis energi, kerusakan lingkungan dan pemanasan global. Kapal sebagai salah satu alat transportasi yang digunakan umat manusia untuk saling berhubungan dalam perikehidupannya, mengkonsumsi bahan bakar yang tidak sedikit jumlahnya. Begitu juga dengan kecenderungan untuk membuat alat transportasi yang murah dan cepat, maka akan mengakibatkan meningkatnya kecepatan operasional kapal yang akan membawa pengaruh buruk terhadap lingkungannya, seperti efek scouring (penggerusan dasar laut), abrasi pantai dan sebagainya. Maka keberadaan alat transportasi yang hemat energi dan ramah lingkungan dibutuhkan. Propeller konvensional, sampai sekarang ini masih merupakan alat utama penggerak kapal. Dalam bekerjanya, propeller mengakselerasi aliran dari depan ke belakang kapal, sehingga akan mengakibatkan dua buah komponen utama kecepatan, yakni komponen kecepatan axial dan rotasional. Komponen-komponen kecepatan inilah yang akan menentukan besar kecilnya kehilangan energi bagi sistem penggerak kapal. Glauert [1963], Glover [1987], mengklasifikasikan energi yang terjadi pada sistem penggerak kapal (propeller) menjadi : 60% energi yang tergunakan, 20% energi hilang berupa axial jet flow, 13 % hilang dalam bentuk gesekan dan 7% hilang dalam bentuk aliran rotasi (rotation flow). Dalam pengembangan Energi Saving Devices (ESD), para pakar lebih menekankan pada pada recovery energy axial dan rotasional dimana jumlah kedua energi tersebut lebih besar bila dibandingkan dengan kehilangan energi akibat gesekan (friction). Prosentasi energi yang termanfaatkan oleh propeller dan energi terbuang dapat dilihat pada Gambar 1.1 1
Gambar1.1. Prosentasi energi pada propeller. Salah satu ESD yang mencoba memanfaatkan energi terbuang adalah Grim Vane Wheel yang ditemukan oleh Otto Grim (1966) seperti yang diungkapkan oleh Weitendrop [1981], sistem bekerjanya adalah memanfaatkan energi aliran slipstream diubah menjadi energi putar untuk mendapatkan gaya dorong (thrust) tambahan dengan cara membuat bagian luar dari wheel , potongan daunnya berbentuk propeller dan akan menghasilkan thrust ke arah depan, sedangkan vane wheel bagian dalamnya merupakan konstruksi turbin. Sedangkan Ukuran vane wheel lebih besar bila dibandingkan dengan propelller di depannya. Perbaikan/perubahan effisiensi “vane wheel propulsor” lebih disebabkan oleh: 1. Pengurangan axial energy losses di propelller slipstream 2. Pengurangan rotational energy losses di propeller slipstream 3. Menghasilkan tambahan thrust Seperti yang diungkap oleh Chen [1988], Grim (1980)
mengklaim adanya
peningkatan efisiensi 4% - 9% apabila propeller dilengkapi dengan Grim Vane wheel. Kehr (1986), mempresentasikan model test Vane wheel propulsor dikombinasikan dengan Fixed Pitch (FP) dan controlable pitch (CP) mengklaim adanya peningkatan efisiensi sampai 5%-10% tergantung pada Koefisien Beban propeller (Thrust loading,
2
CT.). Van Beek (1986), menggunakan CP Propeller yang dilengkapi dengan Vane wheel, mengklaim adanya peningkatan efisiensi sebesar 3.6% Tetapi konstruksi Wheel yang mempunyai diameter lebih besar 60-80% daripada diameter propeller, dinyatakan tidak praktis. Pemakaian sistem GVW pada beberapa buah kapal, dilaporkan : -
wheel akan mengalami getaran yang cukup signifikan besarnya, hal ini disebabkan bagian luar wheel berada di bagian luar slipstream sehingga wheel bekerja pada dua buah daerah kecepatan
-
banyak kasus dilaporkan bahwa sistem ini sering mangalami patah,
-
aplikasi pada kapal-kapal yang sudah jadi, mengalami banyak kesulitan dikarenakan tidak cukup ruangan antara ujung daun (tip) wheel terhadap dasar lambung bagian belakang kapal (stern).
Dengan adanya banyak keterbatasan dan kekurangan sistem yang ditawarkan GVW (Grim Vane Wheel), maka dalam disertasi ini akan dilakukan penelitian lebih lanjut terhadap pemanfaatan kembali energi kinetik yang dihasilkan oleh aliran slipstream
di
belakang
propeller.
Penelitian
difokuskan
pada
reduksi
kerugian/kekurangan sistem yang ditawarkan Grim, dengan cara memanfaatkan aliran slipstream sebagai energi penggerak turbin melalui kajian teoritis dan numeris. 1.2. Perumusan Masalah Dari hasil aplikasi GVW pada beberapa kapal, ditemukan bahwa disamping hal yang menguntungkan juga terdapat hal-hal yang masih perlu diperhatikan, diantaranya adalah masalah vibrasi dan kekuatan struktur GVW. Peningkatan efisiensi sebesar 5-10 % oleh karena pemakain GVW lebih disebabkan karena adanya additional thrust akibat bentuk bagian luar GVW seperti bentuk propeller. Apakah tidak ada kemungkinan lain selain meningkatkan thrust propulsor guna penghematan bahan bakar ?. Suatu konsep baru diusulkan untuk mereduksi kelemahan yang terjadi pada system GVW. Energi aliran slipstream tidak difungsikan sebagai penghasil additional thrust, tetapi energy kinetic aliran diubah menjadi energy mekanik untuk meggerakkan turbin, seperti yang digambarkan pada Gambar 1.2.
3
Gambar 1.2. Konsep propeller-turbin di propeller slipstream 1.2.1.Analisa awal Dalam tahap awal, dilakukan uji kelayakan aplikasi turbin di belakang propeller. Dikarenakan akan adanya interaksi antara propeller dan turbin serta performance/kinerja kapal, maka perlu dilakukan perhitungan-perhitungan yang meliputi, 1. Powering kapal, dimaksudkan untuk menentukan dimensi propeller , besarnya thrust dan daya mesin (SHP) yang dibutuhkan kapal untuk bergerak pada kecepatan tertentu, 2. Aliran di sekitar propeller , terutama self induced velocity dan thrust loading propeller pada kecepatan design/dinas ; 3. Daya dan gaya reaksi turbin di aliran slipstream ; 4. Pengaruh pemasangan turbin terhadap kinerja kapal, diantaranya adalah kehilangan kecepatan kapal (speed loss), effisiensi daya yang didapatkan dengan adanya propeller-turbin.
4
Analisa aplikasi sistem propeller-turbin dilakukan pada beberapa tipe kapal dengan berbagai ukuran serta jumlah propeller (single dan twin screw). 1.2.2. Analisa lanjut Sistem propeller-turbin Analisis lanjut pada aplikasi propeller-turbin dilakukan setelah uji kelayakan pemakaian propeller-turbin pada kapal teruji ada penghematan energi dan nilai tambah terhadap kinerja propeller turbin. Interaksi antara propeller-turbin dikaji lebih mendalam. Uji statistik dengan metode analisa jalur (Path Analysis) dilakukan untuk mengetahui pengaruh ukuran/dimensi kapal dan faktor lainnya terhadap kelayakan sistem. Pengambilan jumlah contoh/simple kapal juga diuji statistik supaya kesimpulan yang diambil bisa bersifat umum. Besarnya self induced velocity propeller baik axial maupun tangensial dihitung dengan teori garis angkat (Lifting line theory). Begitu juga dengan Turbin, berapa daya yang dihasilkan dan drag yang ditimbulkan oleh Turbin dihitung dengan menggunakan teori blade element momentum. Nilai optimasi diameter turbin dan koefisien performance turbin akan didapatkan. Hal ini akan sangat bermanfaat bagi seseorang/peneliti lainnya untuk mengembangkan lebih lanjut sistem propeller-turbin ini. 1.2.3.Tahapan penelitian Dengan maksud supaya penelitian lebih bersifat aplikatif dan berdayaguna pada kapal, maka dilakukan pentahapan penelitian yang secara skematis dipresentasikan Gambar 1.3.
5
pada
Gambar 1.3. Diagram Tahapan penelitian 1.3. Tujuan penelitian Tujuan penelitian adalah untuk melakukan pengkajian seberapa besar dan efektif besaran energi kinetic pada slipstream di belakang propeller kapal yang hisa digunakan untuk menggerakkan turbin sebagai penggerak generator. Sehingga didapatkan suatu Propeller-vane turbin yang didesain secara khusus dalam suatu system yang kompak sebagai suatu bentuk Energy Saving Devices tambahan untuk menekan kehilangan energi pada sistem penggerak konvensional. Penelitian yang dilakukan juga meliputi kajian pengaruh pemasangan system tersebut pada performance kapal. Dikarenakan sebagian energi slipstream diekstrak kembali dalam bentuk energi gerak/mekanik, maka energi semburan (jet flow) akibat propeller bekerja akan berkurang sehingga pengaruh lingkungan (scouring) bisa ditekan cukup signifikan. Penelitian akan difokuskan pada beberapa kajian : -
propeller sebagai alat propulsi kapal
-
energi aliran slipstream di belakang propeller (konvensional propeller)
6
-
aplikasi turbin di belakang propeller, baik kapal single screw maupun twin screw
-
pengaruh pemasangan propeller-turbine di belakang propeller terhadap performance kapal.
1.4. Manfaat Penelitian Manfaat penelitian, adalah untuk menambah dan memperkaya jenis Energi Saving Devices sebagai suatu instrumen dalam prupolsor kapal yang hemat energi dan ramah lingkungan. Diharapkan propeller-vane turbin dapat diaplikasikan secara langsung pada kapal-kapal niaga Nusantara untuk mendapatkan armada transportasi yang hemat energi. Desertasi ini akan memberikan kontribusi ilmu pengetahuan tentang sistem bekerjanya propeller pada umumnya dan memberikan khasanah tambahan terhadap instrument Energy Saving Devices yang digali dari kemampuan dalam negeri dengan memanfaatkan SDM dan fasilitas yang dimiliki bangsa Indonesia. Penelitian yang dilakukan merupakan pengembangan penelitian sebelumnya (Grim Vane Wheel). Sedangkan tujuannya adalah untuk membuat sistem propulsor yang realible dan mereduksi kekurangan dari generasi sebelumnya. Perbedaan utama metode yang ditawarkan dengan metode sebelumnya adalah propeller-vane turbin bukan dianggap sebagai additional thruster tetapi sebagai suatu instrument untuk mendapatkan kembali energi terbuang menjadi energi yang bermanfaat dengan tidak menutup kemungkinan ada penambahan performance propeller. 1.5. Batasan Masalah Dikarenakan adanya keterbatasan waktu, biaya dan sulitnya mensimulasikan perhitungan aliran di propeller, maka dalam penelitian dibatasai hal-hal sebagai berikut : -
penelitian dititik beratkan pada penghematan bahan bakar (energy saving), dengan cara memanfaatkan energi terbuang (energy losses) akibat bekerjanya propeller kapal bukan pada peningkatan efisiensi propeller
-
data powering kapal dari beberapa obyek penelitian didapatkan dari proses perhitungan dengan menggunakan program DESPPC dan dari hasil pengujian
7
model test di towing tank. Jenis data ataupun informasi yang didapatkan berupa data design propeller dan powering kapal -
penelitian pengaruh pemasangan turbin di belakang propeller terhadap kinerja kapal dilakukan secara analitis/empiris ataupun numeris dengan menggunakan konsep teori momentum
-
perhitungan performance dan aliran (self induced velocity) propeller dan turbin dilakukan dengan meggunakan teori garis angkat (lifting line) dan blade element momentum theory.
1.6. Sistematika Penulisan Sistematika penulisan mengacu pada pedoman penyusunan disertasi yang telah ditetapkan oleh Program Pasca Sarjana ITS. Sedangkan struktur penulisan disertasi ini terdiri dari 5 (lima) bab, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.4 di bawah ini,
8
Gambar 1.4. Skema penulisan disertasi
9
10
BAB 2 KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI Pada Bab ini akan dibahas mengenai teori propeller, turbin , aliran di sekitar propeller (slipstream) serta kehilangan energi (energy losses) pada saat propeller bekerja. Energy losses merupakan energi terbuang yang berbentuk energi kinetik ke arah belakang kapal (propeller wash). 2.1. Teori propeller Untuk menganalisa aliran slipstream propeller, beberapa teori propeller akan dipakai, diantaranya teori momentum, blade element momentum theory dan teori sirkulasi (lifting line theory). 2.1.1. Teori Momentum Seperti yang diutarakan oleh O’Brien [1969], menyatakan bahwa Rankine (1865) , Greenhill (1888) dan Froude (1889) menawarkan teori paling sederhana untuk menunjukkan aksi suatu propeller berdasarkan gerakan axial air yang melewati piringan propeller (actuator disc) seperti digambarkan pada Gambar 2.1. Pada teori ini, terutama teori-teori yang didasarkan pada teori Rankine, ada beberapa asumsi-asumsi yang dipakai, diantaranya sebagai berikut : 1. propeller bekerja pada kondisi ideal, tanpa mengalami kehilangan energi karena gaya gesek (frictional drag) 2. propeller dapat digantikan oleh suatu piringan penggerak (actuator disc) 3. propeller dapat menghasilkan gaya dorong (thrust) tanpa menyebabkan rotasi pada slipstream. 4. fluida dikondisikan unbounded, inviscid dengan aliran uniform VA dan uniform tekanan statis jauh sebelum piringan, P o Gerakan fluida pada teori momentum dianggap relatif terhadap gerakan propeller dan kecepatan maju propeller (speed of advance) dipresentasikan sebagai kecepatan axial fluida di depan propeller. Piringan (disc) mewakili propellerr
11
diasumsikan mampu menghasilkan gaya dorong ke arah belakang kapal (stern) dengan cara mereduksi tekanan fluida yang mendekati piringan propeller ( screw disc) dan peningkatan tekanan pada fluida yang meninggalkan piringan propeller. Sebagai hasilnya, adanya peningkatan kecepatan axial dan akan menyebabkan reduksi penampang lintang kolom fluida sehingga terbentuklah apa yang dinamakan slipstream. Cara yang paling mudah untuk menunjukkan kecepatan axial menggunakan apa yang dinamakan ”axial inflow factor” (a) seperti beikut ini, -
kecepatan sebelum piringan propeller : VA
-
kecepatan pada piringan propeller : VA(1+a)
-
kecepatan setelah piringan propeller : VA (1+2a)
Menurut perkembangan teori momentum, hubungan yang sama juga berlaku untuk kecepatan angular dengan menggunakan apa yang dinamakan ”angular inflow factor” (a’) sebagai berikut, -
kecepatan angular sebelum piringan propeller : ω
-
kecepatan angular pada piringan propeller : ω(1+a’)
-
kecepatan angular setelah piringan propeller : ω(1+2a’)
Gambar 2.1. Teori momentum propeller (Obrien,1969)
12
Sedangkan besarnya Thrust propeller dicari dengan menghitung besarnya perubahan momentum axial pada setiap elemen daun, torque didapatkan dengan menghitung besarnya perubahan momentum angular. Bila jumlah daun diperhitungkan maka penggunaan koreksi K (Goldstein factor) digunakan. Besarnya Thrust dan Torque, J 2 xKa(1 a ) dx ..................................................................... (2.1)
dK T
2
dK Q
2
Jx 3 Ka ' (1 a) dx ............................................................. (2.2)
Dan besarnya efisiensi setempat sebesar, J x
2
a a'
................................................................................... (2.3)
Dan hubungan antara kecepatan axial terhadap Koefisien Thrust (KT), dapat dinyatakan sebagai berikut
1
u a* VA
1 KT 2
………………………………………………...…(2.4)
Untuk harga KT yang cukup kecil, KT <<1, maka persamaan (2.4) dapat disederhanakan menjadi
u a* VA
KT ………………………………………………………...……(2.5) 4
2.1.2. Teori Elemen Daun ( Blade Element Theory) Glauert
[1963], mengembangkan suatu metode
sederhana
untuk
memprediksi kinerja propeller, dengan menggunakan apa yang dinamakan teori elemen daun (Blade Element Theory). Pada metode ini, daun propeller dibagi menjadi beberapa potongan sepanjang daun. Pada setiap potongan, sebuah gaya kesetimbangan yaitu gaya angkat (lift) dan gaya tahan (drag) akan menghasilkan gaya dorong (thrust) dan torsi (torque) untuk masing-masing potongan. Pada saat yang bersamaan, kesetimbanngan
dari momentum axial dan tangential
diperhitungkan. Prosedur ini akan menghasilkan sejumlah persamaan non-linear yang dapat diselesaikan secara iterasi pada masing-masing potongan daun. Hasil
13
yang didapatkan dapat dijumlahkan untuk mendapatkan kinerja propeller secara utuh. Pada teori ini, pengaruh 3-D velocities tidak diperhitungkan, artinya velocity induced yang diakibatkan oleh shed tip vortex dan komponen radial dari flow induced oleh percepatan sudut akibat putaran propeller (lihat Gambar 2.2 dan 2.3) diabaikan. Dengan demikian, apabila dibandingkan dengan propeller sesungguhnya, hasil perhitungan dengan metode ini akan over-predict pada thrust dan under-predict pada torsinya sehingga terdapat perbedaan 5-10 % pada efisiensinya. Tetapi bagaimanapun juga teori ini masih sangat berguna untuk optimisasi setting blade pitch.
Gambar 2.2.Pencacahan daun propeller pada teori Blade Element Untuk setiap seksi (potongan), alirannya dapat dianalisa secara bebas (independent) dengan asumsi bahwa kecepatan axial dan tangential yang diperhitungkan, tanpa memperhatikan induced flow dari potongan daun lainnya. Jadi pada potongan AA (radius = r) seperti pada Gambar 2.2 di atas, aliran yang bekerja pada potongan/elemen daun akan terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut : V0 -- axial flow pada propeller disk, V2 -- vector Angular flow velocity, V1 -- section local flow velocity vector. V1 yang merupakan penjumlahan dari vektor V0 dan V2. Semua komponen tersebut dapat dipresentasikan seperti pada Gambar 2.3.
14
Bila daun propeller mempunyai sudut langkah maju (pitch) sebesar ( ), maka vector kecepatan setempat akan menciptakan sudut serang (angle of attack) untuk potongan daun tersebut. Sehingga Gaya angkat dan gaya tahan dapat dihitung. Pada Gambar 2.3, sudut yang terbentuk antara Thrust dan Lift sebesar Sehingga elemen gaya angkat dan torsi untuk masing-masing potongan daun dapat ditulis sebagai,
T
L cos( )
Q r
D cos( )
D sin( ) L sin( )
..............................................(2.6)
Gambar 2.3. Komponen gaya-gaya pada teori Blade Element Dengan mensubstitusikan nilai CL dan CD pada
, menurut Abbot (1958) , akan
didapatkan persamaan sebagai berikut ,
L
1 C L . . .V12 c.dr 2
D
1 C D . . .V12 .c.dr 2
Dimana
..........................................(2.7)
massa jenis fluida, c adalah lebar daun. Bila jumlah daun propeller ada
Z buah, maka
T
1 V12 c C L cos 2
C D sin
Zdr ...............................................(2.8)
15
Q
1 V12 c C L sin 2
C D cos
Zrdr .............................................(2.9)
Kesulitan/kompleksitas akan dihadapi, apabila teori ini dipakai untuk menghitung besarnya komponen kecepatan V0 and V2. Untuk propeller kapal, V0 sama dengan advance velocity VA tetapi besarannya dinaikkan/dipercepat dengan adanya axial induced velocity oleh propeller kedalam slipstream. V2 didekati dengan besarnya kecepatan sudut potongan daun (
dapat
r) tetapi direduksi
oleh adanya gerakan aliran putar (swirling) akibat propeller. Untuk menghitung V0 and V2 secara akurat, kedua kesetimbangan axial dan angular momentum harus digunakan untuk memprediksi pengaruh induced flow seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. Dari Gambar 2.4 terlihat bahwa adanya komponen kecepatan yang menjadikan faktor untuk menambah atau mengurangi komponen aliran, yang disebut sebagai Inflow factor.
Gambar 2.4. Pengaruh inflow faktor terhadap komponen kecepatan. Sehingga untuk kecepatan V0 and V2 seperti yang dijelaskan di atas , dapat diberikan dalam bentuk, dimana a adalah axial inflow factor dimana b adalah angular inflow factor (swirl factor) Bila induced velocity pada potongan daun diperhitungkan, maka komponen-komponen kecepatan yang terjadi pada masing-masing potongan daun propeller dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 2.5.
16
Berdasar pada Gambar 2.5., maka besarnya gradien Gaya Angkat setempat (Local Lift Gradien) dan Gaya Tahan setempat (Local Drag Gradien ) dapat dihitung dengan formula,
dL / dr
1 ZcU 2 C L ..........................................................................(2.10) 2
dD / dr
1 ZcU 2 C D ........................................................................(2.11) 2
Dari diagram vector pada Gambar 2.5, ditentukan bahwa
CD / CL
tan tan(
)
P/ D / x
tan
V/ r
J/ x
tan
V 1 a / r 1 a'
1 a / 1 a tan
Maka besarnya Thrust dan Torque per elemen daun sebesar, dKT dx
2
4
dK Q dx
2
8
Zc 2 C L x 2 1 a' sec 1 tan tan D Zc C L x 3 (1 a' ) 2 sec tan D
tan
............................(2.12) ..............................(2.13)
Gambar 2.5. Komponen kecepatan Elemen Daun Propeller Dan besarnya efisiensi setempat sebesar
tan tan atau
17
1 a' tan * 1 a tan
.........................................................................(2.14)
Dimana besarnya efisiensi ideal (ideal efficiency) dengan mengabaikan friction losses adalah i
1 a' ..........................................................................................(2.15) 1 a
Dari effisiensi yang diturunkan dari pertimbangan hukum momentum dan elemen daun (blade element), dengan menggunakan persamaan (2.3) dan (2.15) maka besarnya axial inflow factor dapat ditemukan sebesar 1
a i
Besarnya
i
tan 2
Koefisien
..................................................................................(2.16)
Thrust
dan
Torque
propeller
didapatkan
dengan
mengintegrasikan persamaan 2.12 dan 2.13 sepanjang daun propeller (dari hub sampai tip daun propeller). 2.1.3. Teori Sirkulasi Teori sirkulasi didasrkan pada konsep yang diberikan oleh Lanchester (1907), yang menyatakan bahwa Gaya Angkat yang bekerja pada daun propeller disebabkan oleh adanya aliran sirkulasi (Gambar 2.6). Hal ini akan menghasilkan kenaikan kecepatan setempat pada bagian belakang daun dan menurunkan kecepatan setempat pada bagian muka daun propeller.
Gambar 2.6. Sirkulasi Teori
18
Untuk aliran 2-D Gaya angkat parsial dL pada elemen potongan daun dengan panjang chord C danlebar dr dapat dinyatakan dengan kecepatan oleh persamaan Kutta-Joukowski (1912),
dL
VR dr .....................................................................................(2.17)
Dimana ρ adalah massa jenis luida, Γ adalah sirkulasi. Sirkulasi secara lansung proporsional terhadap kecepatan sirkulasi Vc . Dalam aplikasinya teori sirkulasi terhadap propeller, maka pertama-tama diasumsikan bahwa setiap daun propeller digantikan dengan garis vortex (vortex line) mulai dari hub sampai tip propeller dan dilingkupi dengan aliran sirkulasi. Ada dua macam vortex line yang terbentuk, -
axial vortex line , arahnya mengikuti arah screw axis
-
tip vortex line, arahnya mengikuti nominal helical path
Goldstein (1929), telah mengembangkan hubungan antara persamaan sirkulasi dengan jumlah daun yang dinyatakan dalam bentuk, 2 r UT ......................................................................................(2.18) B
Persamaan 2.18 dapat ditulis dalam bentuk ,
4 r r 2 a' ...................................................................................(2.19) B Dengan demikian, secara praktis ada 2 macam kegunaan teori sirkulasi dalam kaitannya dengan perancangan propeller, -
dapat dipakai sebagai bahan pemilihan karakteristik geometri propeller yang berkaitan dengan kondisi design ,
-
dapat dipakai untuk menghitung kinerja propeller , dengan geometri propeller diketahui terlebih dulu.
2.1.4. Self Induced Velocity Propeller Dalam perhitungan self induced velocity oleh daun propeller, digunakan teori yang telah dikembangkan oleh Kerwin [2007], Coney [1989 dan Carlton [1994]. Program yang telah dikembangkan didasarkan pada ”moderately – loaded
19
Lifting Line theory”, dimana daun propeller dipresentasikan sebagai garis angkat. Sedangkan induced velocity (axial dan tangential) dihitung dengan vortex lattice . Diagram kecepatan yang terjadi pada potongan daun propeller dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7. Diagram gaya/kecepatan pada elemen daun propeller pada radius r (Epps,2010) Dari diagram kecepatan/gaya pada Gambar 2.7, poros propeller berputar dengan kecepatan angular sebesar ωê t . Kecepatan masuk ke arah Axial dan tangential pada elemen daun propeller sebesar Va =-V êa dan Vt =-V êt ; induced axial dan tangential velocity ua*=-ua* êa dan ut*=-ut* êt bila ut*<0, maka ut*bisa diabaikan, sehingga resultante inflow velocity V* , sebesar (Epps, 2010) V*
Va
u a*
2
r Vt
u t*
2
....................................................(2.20)
Sedangkan axial dan tangential induced velocity dihitung dengan menggunakan vortex lattice.Induced velocites dihitung pada control point di lifting line pada lokasi radial rc(m), m=1...M, dengan menjumlahkan vortex tapal kuda, maka besarnya axial dan tangential induced velocities,
u a* (rc (m))
u a* m
u t* (rc (m))
u t* m
M i 1 M i 1
i u a* m, i ....................................................(2.21) i u t* m, i .....................................................(2.22)
20
2.1.5. Propeller wake Dyne [1980] untuk mengetahui kecepatan aliran di sekitar propeller yang dinamakan wake, digunakan Teori Lifting Line. Pada Teori Vortex, propeller digantikan dengan sistem “bound vortex” sepanjang daun (Lifting Line) dan “Helical Vortex” pada setiap radius konstan di “wake”. Pitch “Helical Vortex” merupakan fungsi dari “advance velocity”, VA, kecepatan tangential 2
dan
kecepatan aliran akibat propeller (induced velocity) UA dan UT. Bila kekuatan “vortex system” telah dihitung untuk mendapatkan thurst sesuai yang diinginkan, maka “induced velocity” dihitung berdasar hukum Biot-Savart. Propeller diasumsikan pada kondisi ideal dan incomperssible flow. Pada
teori
“Actuator
Disk”
induced
velocity
(AD),
propeller
dipresentasikan sebagai “Actuator Disk” (AD) antara r = r 2 dan r = r1 seperti Gambar 2.8. Propeller bekerja dalam “Axi-symmetric spear flow” dengan kecepatan U1 di sebelah luar dan kecepatan frictional wake U2 dalam radius ro . besarnya nominal wake fraction adalah N
U1 U 2 ............................................................. (2.23) U1
dengan radius hub diasumsikan Nol.
Gambar 2.8. Aliran pada sistem Actuator disc
21
Total Head diasumsikan meningkat
pada propeller disk dan kecepatan
tangensial di daerah slipstream sama dengan nol. Kecepatan aliran di dalam wake, dimana tekanan statisnya sama dengan tekanan statis pada “undisturbed flow”, dapat dihitung dengan menggunakan Hukum Bernoulli :
U3 U4
U1 U A1 U2
U1 1 CTS
U A2
U1
U2 U1
…………....................................(2.24) 2
CTS
U5 = U2 + uA 3 = U2
................................(2.25)
.................................................. (2.26)
Dimana CTS adalah koefisien Thrust loading, dan didefinisikan sebagai : CTS
T
H
0.5 U 1 r1
2
r2
2
0.5 U 1
2
.........................(2.27)
Bila kecepatan akibat propeller (propeller induced velocities) uA1 dan uA2 sangat kecil bila dibanding dengan U1 dan U2 ,maka U A2
U A1
U1 ..............................................................(2.28) U2
Maka hasil yang di dapatkan adalah induced volicites didalam lebih besar daripada di luar frictional wake untuk r < r0 . Total gaya dorong (Thrust) pada propeller dapat dihitung dengan hukum momentum : r12
T
r02 U 1,3 U 3 U 1
r02
r22 U 2, 4 U 4 U 2
.............. (2.29)
Dimana U1,3 dan U2,4 adalah kecepatan axial pada propeller disc (Gambar 2.8). Thrust juga bisa diturunkan dari kenaikan H pada plopeller : T = (r12 – r22 ) H =
(r12 –r02) H +
(r02-r22) H .........................(2.30)
Bila H pada persamaan (2.30) dihitung dari persamaan (2.24) dan (2.25) dan yang kedua dihitung dari persamaan (2.25) dan (2.26), maka persamaan (2.29) dapat ditulis menjadi T
r1
2
r2
2
U1 U 3 U 3 U1 2
r
22
2
r2
2
U2
U4 2
U 4 U 2 .........(2.31)
Dengan membandingkan persamaan (2.29) dan (2.30), akan menunjukkan hasil Thrust yang sama, baik menggunakan hukum momentum maupun Bernoulli U 13
U1 U 3 ......................................................................................(2.32) 2
U 24
U2 U4 ....................................................................................(2.33) 2
Dalam teori Vortex, propeller dipersentasikan dalam bentuk “bound vortices” sepanjang daun dan free helical vortices di dalam slipstream. “Free vortices” di asumsikan mempunyai radius konstan bila sirkulasi dari “bound vortices” adalah r dan putaran/ rotasi slipstream adalah nol, besarnya elemen Thrust Dt dari salah satu daun dapat dihitung dengan hukum Kutta Joukowsky :
dT
2 rndr
Yang memberikan kenaikan “total head”
H
dtZ 2 rdr
pada “propeller disk”
Z n .....................................................................(2.34)
Dimana n adalah putaran propeller.
Gambar.2.9. Sistem vortex Lifting line konvensional Dalam “conventional vortex system ” ini , actuator disk dipresentasikan oleh 2 tabung lingkaran vortex tak terbatas dengan arah yang berlainan, seperti gambar 2.9 .Bila vorticity dari kedua sistem harus sama, maka
23
y
Z ..............................................................................................(2.35) Pi
Bila Pi adalah jarak axial pada vortex untuk satu kali putaran, maka, Pi
Vmean ............................................................................................(2.36) n
Dimana Vmean adalah kecepatan rata-rata lembaran vortex. Kekuatan vortex per setiap panjang tabung luar ataupun dalam berturut-turut sebagai berikut Zn 1
U1
................................ .....................................................(2.37)
2
U2
dan Zn 2
U4
..................................................................................(2.38)
2
U5
Dimana (u1 + u3)/2 dan (u4+u5)/2 adalah kecepatan rata-rata pada dua tabung vortex tak terbatas, dan mensubstitusikan persamaan (2.24) dan (2.32) ke (2.35) dan (2.38) akan didapatkan : 1
2
CTS
U1 U1
CTS
2
U2 U1
U4
..............................................................................(2.39)
2
U5
............................................................................(2.40)
Dalam penggunan Teori Vortex pada propeller yang bekerja pada daerah wake, diasumsikan bahwa : -Kecepatan yang disebabkan model vortex propeller sama dengan “uniform ideal flow” -nominal wake mempengaruhi pitch helical vortices dan pitch daun propeller -wake tidak berubah pada arah axial, hal ini berakibat wake fraction pada propeller dan didalam slipstream adalah sama pada daerah sebelum propeller . “Axial velocity induced” oleh “semi – infinite” vortex tube adalah :
UA
0 , di luar tabung
24
dan
UA
, di dalam tabung
Didalam tabung luar,menjadi
U A1
CTs
U 12 …….................................................. (2.41) U1 U 3
U1 1
1 CTS .. ......................................................(2.42)
U 3 U1
U A1 dan
u3= U1 1 CTS ....………………............................................(2.43) Bila “inner vortex tube” tidak menimbulkan kecepatan keluar,
U A2
U A1
U1 1
1 CTS
...……….........................................( 2.44)
dan
U4
U 2 U1 1
1 CTS ………….............................................. (2.45)
Di dalam r = r2, kecepatan yang ditimbulkan oleh tabung dalam dapat dihitung dari
U5 U4
CTS
U 12 ................................................................. (2.46) U4 U5
sehingga didapatkan
U A3
U5 U2
U1
1
U2 U1
2
U A1 U1
CTS
U2 …….......... (2.47) U1
bila dibaandingkan antara 2 metode di atas, terdapat ketidaktepatan “induced velocities” pada daerah dalam radius propeller. Sebagai contoh, diasumsikan bahwa CTS
=
0.8.
Maka
besarnya
“induced
velocities” untuk kedua metode tersebut a).
r0 < r < r1 : hasilnya sama, uA1/U1 = 0.342 untuk kedua metode
b).
r2 < r < r0 : teori vortex memprediksi u2/U1 = 0.342 independen terhadap U2/U1. Harga sebenarnya adalah U2/U1 0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
uA2/U1 0.717 0.580 0.477 0.400 0.342
25
dengan demikian teori vortex memprediksi induced axial velocities terlalu rendah. c).
0 < r < r2 : menurut hukum Bernoulli uA3 = 0, teori vortex menghasilkan: U2/U1
0.2
UA3/U1
imag imag -0.302 -0.09 0
0.4
0.6
0.8
1.0
Seperti ditunjukkan di atas, kedua metode diatas menunjukkan hasil yang terlalu rendah terhadap “induced axial velocities”. Dyne (1980), memodifikasi teori system vortex untuk meminimalkan kesalahan prediksi induced velocities.
Gambar.2.10. Improved vortex system (Dyne,1980) System vortex pada propeller disk dipresentasikan pada Gambar 3 (Dyne, 1980). Jauh sebelum propeller, kekuatan vortex per unit panjang, γ0 = - (U1 – U2) ....................................................................................(2.48) Kekuatan vortex juga bergantung pada rata-rata kecepatan setempat pada tabung. Oleh karena peningkatan kecepatan axial yang disebabkan oleh propeller. γ0 menurun sepanjang x-axis (Huang, 1976) dan wake terbesar yang dimilikinya 0
U1 U 2
U1 U 2 .....................................................................(2.49) U1 U 4
Di dalam tabung vortex ring luar dari propeller, r 0 < r < r1, besarnya induced velocity seperti pada persamaan (2.38) dan (2.40):
U A1
U1 1
1 CTS ................................... ................................(2.50)
26
dan U3=U1+uA1=
U1 1 CTS ........................................................................................(2.51) Di daerah r2 < r < r0 , tambahan kecepatan U1 U 2
U1 U 2 ................................................................(2.52) U3 U4
adalah induced oleh vortex tube yang mewakili “frictional wake”. Ini berarti bahwa: U4
U3
U1 U 2 .............................................................(2.53) U3 U4
U1 U 2
dan 2
U2 U1
U4= U 1
CTS
...................................................................(2.54)
Di dalam r=r2, induced velocity dari tabung vortex bagian dalam yang mewakili propeller ditambah U5
U4
CTS
U1
U4
2
U5
........................................................................(2.55)
akan didapatkan
U5
U4
2
2
U 1 CTS
U 2 ..............................................................................(2.56)
Diskontinuitas di kecepatan U1-U2 pada ujung frictional wake jauh di depan propeller, dapat diekspresikan sebagai nominal wake, persamaan (2.23) menjadi, 0
U1
U1 U 2 U1
N
...............................................................(2.57)
Oleh karena kenaikan kecepatan axial yang disebabkan oleh propeller, maka diskontunuitas kecepatan dikurangkan 0
U1
0
U 13 U 24 U1
E
pada bidang propeller dan menjadi,
27
...................................................(2.58)
U3 U4 U1
0
U1
...............................................................(2.59)
F
pada puncak wake. Efektif wake wE dan final wake wF pada akhirnya dapat dihitung dari persamaa(2.24),(2.25),(2.32),(2.33),(2.58) dan (2.59) : 1 CTS
F
2
U2 U1
CTS .......................................................(2.60)
Dan N
E
F
...............................................................................(2.61).
2
Dengan demikian efektif wake merupakan rata-rata aritmetik dari nominal dan final wake. 2.1.6. Efisiensi propeller dan koefisien energi Komponen efisiensi pada sistem propulsi kapal merupakan quasi propulsif Coefficient (ηD) yang didefinisikan sebagai perbandingan antara Daya Effektif (PE) (daya yang berada di popeller) dengan daya Mesin Utama (PD ).
PE PD
D
R FV 2 Qn
T (1 t )V 2 Qn
TV (1 ) 1 t 2 Qn 1
ToV (1 ) QoT (1 t ) 2 Qo n QTo (1 w)
(
R
p
)*(
h
)
po
h
JKTo K Qo K T 1 t 2 K Qo K Q K To 1 D
o
R
................................(2.62)
.........................................(2.63)
h
Olsen [2001], dalam menurunkan koefisien-koefisien energi dengan menggunakan asumsi “potential flow” yang diaplikasikan pada propeller yang di
28
modelkan sebagai “actuator disc” . Bila propeller dimodelkan sebagai actuator disc . maka besarnya Thrust dan Torque dihitung dengan rumus :
T
2
Q
R rh
p(r )rdr
PD 2 n
Q fr
T fr
…..........................................................(2.64)
R
1 H (r ) U a ,0 (r ) U (r ) rdr n rh
Q fr ...........(2.65)
Dimana ΔTfr dan ΔQfr adalah pengurangan dan penambahan akibat gesekan. Torque diasumsikan positif untuk propeller yang berputar searah jarum jam. Indeks menunjukan harga yang berkaitan dengan “disk”.
Gambar 2.11. Tabung aliran untuk menurunkan “Koefisien Energi” (Olsen,2001) Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11 di atas. Dengan menggunakan hukum Bernoulli di depan dan di belakang disk,berturut-turut di dapatkan :
P0
1 U 2 (r ) 2
P (r )
1 2
U a , 0 (r ) U (r )
2
2
U r ,0 (r ) .........................(2.66)
1 2 2 2 U a ,0 (r ) U (r ) U r ,0 (r ) U t ,0 (r ) 2 1 2 2 P (r ) U a , (r ) U (r ) U t , (r ) 2 P (r )
.....................................(2.67)
Lonjakan tekanan yang melewati Disk didefinisikan sebagai :
P(r )
P (r )
P (r )
p
(r )
P(r ) P (r )
Persamaan di atas dimasukkan ke persamaan (2.66) , akan didapatkan
29
P(r )
1 2
P (r ) P (r )
U a , (r ) U (r )
2
Ut
2
U a , 0 (r ) U (r )
2
U r ,0
(r ) (r ) U t ,0
Persamaan (2.66) memberikan ekspressi untuk P+(r)
2
(r )
dan dimasukkan ke
persamaan di atas , maka nilai ΔP(r) menjadi
P(r )
P(r )
1 2
P (r ) P0 (r )
P (r ) P0
1 2
U a , (r ) U (r )
2
U t,
U a ,0 (r ) U (r )
2
U r ,0 (r ) U t ,0 (r )
U a ,0 (r ) U r
2
2
(r )
2
2
2
U r , 0 (r ) U 2 (r )
2U (r )U a , (r ) U a ,
2
(r ) U t ,
2
2
(r ) U t ,0 (r ) (2.68)
dimana Ua dan Ut bersifat menerus (kontinyu) memasuki disk. Peningkatan “total head” di temukan dengan mengurangkan bagian sebelah kiri persamaan (2.64) dan sebelah kanan persamaan (2.67)
H (r ) H (r )
1 2
P (r ) P0
2U (r )U a , (r ) U a ,
2
(r ) U t ,
2
(r )
1 2 U t ,0 (r ) .........................................................................(2.69) 2
P( r )
Di sebabkan oleh rotasi slipstream , maka tekanan pada tabung aliran pada bagian jauh downstream akan menjadi lebih rendah daripada tekanan yang tidak terganggu sehingga tekanan infinitely downstream menjadi
P (r )
P0
R r
U t,
2
(r )
dr
Penurunan-penurunan persamaan di atas , memungkinkan untuk menghitung Thrust dan Torque bila kecepatan axial dan tangential pada disk diketahui. Effisiensi propeller didefinisikan sebagai
U AT wQ Effisiensi propeller dengan jumlah daun tak terbatas mempunyai harga
(1 w)U s 2
R rh
P(r )rdr (1 w)U s T fr ...................................(2.70)
2 nQ
30
dimana w adalah wake fraction . Dalam rangka untuk menurunkan koefisien energi. Dengan penambahan dan pengurangan kecepatan kapal . Us, dalam term volume aliran, U a,0 (r ) U (r ) ,bagian inviscid Thrust dapat diekspresikan sebagai :
2 Us
R
P(r )dr ……………………………………................……....(2.71)
rh
Untuk “Actuator disk”, U t , (r ) U t ,0 (r ) maka effisiensi Actuator disk dapat diekspresikan sebagai
(1 w) 1 AXL
AXG
ROTL
FRL ………………..…........(2.72)
dimana koefisien energi di definisikan sebagai : 3 U s R 2 1 U a , 0 (r ) 2nQ rh U s
AXL
3
U s R2 2nQ
AXG
3
1
ROTL
U (r ) 1 Us
rh
Us R2 2nQ
U (r ) U a , (r ) 2 Us Us
1 rh
U a , 0 (r ) Us
U a , (r )
2
Us
U (r ) U a , (r ) 2 Us Us
U a , (r )
U (r ) Us
U t , (r )
rdr ……. .......(2.73) 2
rdr …......(2.74)
Us
C prot (r )
Us
2
C prot (r ) rdr
..........................................................................................................................(2.75)
FRL
Q fr Q
U s T fr 2 nQ
………………………………………………...........(2.76)
AXL adalah kehilangan energi akibat “axial induced velocity” apabila
U a , 0 (r )
1 U a , (r ) adalah benar untuk normal actuator disk, maka “axial loss” 2
dapat diekspresikan sebagai :
AXL
3 U s R 2 1 U a , (r ) 2 U a , 0 (r ) ( ) 2nQ rh U s Us
U (r ) rdr Us
.....................(2.77)
Dengan demikian, AXL (axial loss) berhubungan erat dengan sisa energi kinetik di slipstream akibat bekerjanya propeller. AXG adalah Axial Gain, dimana terminologi gain digunakan sebagai AXG untuk meningkatkan effisiensi. AXG akan bernilai nol di dalam aliran uniform. ROTL
31
adalah kehilangan energy oleh karena rotasi slipstream. Ini dapat di lihat dalam bentuk 3
Us R2 2nQ
1
U a ,0 (r ) U3
rh
U (r ) U t , (r ) Us Us
2
rdr ....................................(2.78)
Yang berhubungan dengan energi kinetik akibat rotasi slipstream. Terminologi memasukkan ∆Cprot adalah kehilangan akibat tekanan rendah/turun di slipstream. FRL adalah “frictional losses”. Untuk gaya dorong (Thrust)yang sama, kebutuhan Torque akan lebih tinggi sesuai dengan jumlah daun daripada “Actuator disk” . ini merupakan tambahan losses akibat jumlah daun :
FBNL
1
Q ……………………………………................(2.79) Qz
Dimana Qz adalah Torque propeller dngan sejumlah daun. Dengan demikian ,effisiensi propeller dengan jumlah daun tertentu sebesar:
(1 w) 1 AXL
AXG
ROTL
FRL
FBNL
alam perhitungan koefisien energi, sangatlah diperlukan mengetahui rata-rata “induced axial dan tangential” pada propeller plane dan di belakangnya. 2.1.7. Propeller Slipstream dan Energi Terbuang Aliran di dalam aliran slipstream propeller sangatlah kompleks dan masih sedikit sekali yang telah dimengerti. Leathard , menunjukkan pengukuran daerah titik kecepatan dengan menggunakan model propeller KCD 19. Pengukuran dibuat dengan menggunakan pitot tube, yang hasilnya berupa distribusi kecepatan axial pada cakupan daerah lebih kurang 5 sampai 7 kali diameter propeller (Gambar 2.12a). Pengamatan yang dilakukan oleh Keh Sik, dengan menggunakan Laser – Doppler anemometer teknik pada serie propeller NSRDC, menunjukkan pattern/hasil yang sama. Menurut Maynord [2000], daerah aliran di sekitar propeller merupakan hal yang sangat pelik, yang dipengaruhi oleh beberapa factor: unsteadiness, three dimensionality dan turbulensi tingkat tinggi .
32
Kecepatan
axial
aliran
slipstream
dapat
pula
dihitung
dengan
menggunakan formula Maynord (2000) ; V xp
max
1.45 * V2 x P / DP ,
.............................................(2.80)
dimana , xp adalah jarak dari propeller v2 =1.13/Do (Thrust/ρ)0.5 Do = jet diameter Hydrocom , sebuah software untuk merancang CRP (Contra Rotating Propeller) memberikan rumus empiris untuk menghitung karakteristik aliran masuk dan keluar (inflow dan out flow) propeller seperti dipresentasikan dalam Tabel 1. Table.1. Simplified prediction of propeller inflow/outflow properties Item Thrust loading coefficient
Equation
1 2 A0Va 2
Ao = propeller disk area
2
CT = thrust loading coeff.
Ideal efficiency
Overall velocity factor
a
T = open water thrust
T
CT
i
Variables
CT
1 1
Va = advance velocity
1 ηi = ideal eff.
1
i
Local velocity multiplier
k
2 1 e
c = curve shape coeff. cx
x = distance from propeller (in diameters , positive aft)
Local jet velocity
Vx
Va 1 ka
Va = advance velocity k = local velocity multiplier a = overall velocity factor
Local jet area
Ax
Va 1 a A0 Vx
Va = advance velocity a = overall velocity Ao =propeller disk area Vx = local jet velocity
Local jet diameter
Dx
4 Ax
Ax = local jet area
Sumber:Hydrocomp (2003)
33
Gambar 2.12a. Komponen kecepatan axial di belakang propeller Ein-ichi Kume, telah melakukan percobaan pengukuran kecepatan aliran di belakang propeller dengan menggunakan model SRI M.S No.63 seperti pada terlihat Gambar 2.12b. Pengukuran aliran dilakukan di Towing Tank dengan menggunakan Pitot tube 5 lubang pada dua kondisi, yakni kondisi tanpa adanya propeller dan propeller terpasang. Pada Gambar 2.12b di atas, pengukuran kecepatan setempat di belakang propeller tanpa adanya pengaruh bekerjanya propeller (a) terlihat bahwa distribusi kecepatan kelihatannya simetri terhadap garis tengah kapal. Kecuali di sekitar garis tengah di atas poros , terlihat aliran mengarah ke atas dari dasar. Dekat garis tengah di atas poros propeller, terlihat arah aliran mengarah ke bawah . Bentuk aliran axial setempat di belakang propeller dengan adanya pengaruh bekerjanya propeller yang berputar se arah jarum jam (b), terlihat pada posisi 0.5 s/d 0.7R di atas poros propeller aliran circumferential menghilang dan hanya terlihat axial flows, hal ini disebabkan karena adanya interferensi antara aliran berputar oleh propeller dan wake. Komponen kecepatan pada 0.25Dp di belakang propeller dapat dilihat pada Tabel 2.
34
Gambar 2.12b. Hasil pengukuran axial velocity pada 0.25Dp di belakang piringan propeller tanpa adanya propeller (a), dan adanya pengaruh bekerjanya propeller (b) Tabel.2. Komponen kecepatan pada 0.25Dp di belakang propeller relatife terhadap kecepatan kapal Komponen kecepatan
Tanpa adanya
Propeller berputar searah
propeller
jarum jam
u
0.8564
1.0266
v
-0.0695
-0.1734
w
-0.1644
-0.2300
Sedangkan pengaruh kavitasi pada aliran di belakang propeller, juga sangatlah berpengaruh terhadap kualitas slipstream. Bila kavitasi yang terjadi cukup stabil, maka gangguan aliran pada slipstream yang ditimbulkannya tidak terlalu signifikan. Kavitasi hub vortex akan sangat mengganggu aliran di belakang propeller, karena kavitasi jenis ini berbentuk vortex dan sangat tidak stabil serta menimbulkan fluktuasi tekanan dan noise yang cukup besar. JS Carlton (2007), berpendapat bila sebuah propeller beroperasi di perairan terbuka, slipstream akan berkontraksi secara uniform. Kontraksi ini dikarenakan percepatan aliran fluida oleh karena propeller dan sangat bergantung kepada besaran gaya dorong (thrust) yang dihasilkan propeller. Semakin besar gaya dorong yang dihasilkan propeller pada speed of advance yang diberikan, akan terjadi konstraksi slipstream yang lebih besar pula.
35
Nagamatsu dan Sasajima, seperti yang diutarakan oleh JS Carlton (2007) dalam bukunya halaman 123, menyelidiki pengaruh konstraksi yang melewati piringan propeller dan disimpulkan bahwa kontraksi slipstream dapat didekati untuk perkiraan awal dengan menggunakan hubungan Simple momentum theory , Do D
0.5 1
1 CT
1/ 2 1/ 2
………………………….............…….(2.81)
Sedangkan diameter slipstream di belakang propeller, menurut Hydrocom (paket software untuk merancang CRP) dihitung berdasarkan formula yang ada pada
Tabel 1. Radius slipstream, menurut Kerwin (2007), dihitung dengan
menggunakan konservasi massa, didapatkan sebesar, 1
Rw R
1 KT
2 1 KT
…………………..…………………….......…...(2.82)
Molland dan Turnock (1994), dengan teori Blade Element Momentum menurunkan rumus kecepatan aliran dan diameter slipstream yang mengarah ke kemudi kapal sebagai berikut,
V AR
V (1 K R a) ............................................................................. (2.83)
VTR
K R a' r ....................................................................................(2.84)
DR / D KR
1 a / 1 KRa
0.5
............................................................. (2.85)
1 1 / 1 0.15 /( x / D) .............................................................. (2.86)
Blanton (1988), dengan menggunakan Laser Doppler velocimetry, kecepatan aliran di sekitar/ di belakang propeller diukur dan hasilnya seperti dipresentasikan di Gambar 2.13. Kenaikan energi kinetik yang melewati propeller mempunyai dua komponen yaitu axial dan rotational. Komponen axial sangat dipengaruhi oleh percepatan axial air untuk menghasilkan thrust, sedangkan torsi poros yang diteruskan ke air akan menyebabkan induced rotational velocity dan energi kinetic rotasi terbuang. Drag losses lebih banyak dipengaruhi oleh ukuran dan dimensi propeller serta kekasaran permukaan daun propeller. Besaran energi terbuang akan sangat mempengaruhi efisiensi propeller. Efisiensi propeller bervariasi dan berbanding terbalik terhadap beban gaya dorong (Thrust loading ,
36
Tp
CT), yang didefinisikan sebagai : CT
0.5 * * *
Dp
, dimana Tp adalah
2
4
gaya dorong propeller (N), Dp diameter propeller (m),
*VA
2
massa jenis air (kg/m3 ),
VA advance speed rata-rata (m/s).
Gambar 2.13. Diameter slipstream di belakang propeller (x adalah jarak axial titik pengukuran terhadap propeller plane) Betz
(1919),
menyatakan
bahwa
induced
loss
propeller
dapat
diminimalkan bila propeller slipstream mempunyai kecepatan konstan dan bila setiap seksi/potongan slipstream berputar sekitar propeller axis maka ia berputar seperti piringan pejal. Tentu saja idealisasi ini tidak didapatkan di belakang propeller yang jumlah daunnya terbatas. Juga lembaran vortex dari trailing edge daun propeller tidak dapat bergerak seperti benda rigid. Hal ini juga ditunjukkan oleh Goldstein. Glauert (1963) pertama kali yang menyelidiki “energy loss” pada propeller. Glauert menghitung effisiensi propeller sebagai perkalian effisiensi berkaitan dengan tiga komponen energy losses tersebut . teori yang di gunakan untuk menghitung effisiensi propeller adalah Teori Momentum . Glover (1987) memberikan “energy losses” untuk propeller konvensional sebagai fungsi faktor beban propeller (Thrust loading). Hasil penelitian Glover seperti tertera pada
37
Gambar 2.14 ,tetapi metode untuk mendapatkannya tidak dijelaskan. Dyne (1993) “Open water efficiency” dihitung sebagai penjumlahan empat energy coefficient yang berkaitan dengan : axial loss rotational loss , frictional loss dan jumlah daun propeller . Glover (1987) telah memperlihatkan seberapa besar energi terbuang dari bekerjanya
sebuah propeller konvensional dan dipresentasikan dalam bentuk
hubungan antara efisiensi propeller dengan variasi Thrust-loading yang cukup besar ( 0.56-5.98) (lihat Gambar 2.13).
Gambar 2.14. Macam-macam kerugian pada propeller (Glover,1987) .
Dalam perhitungan Koefisien Energi , hanyalah difokuskan pada energy
loss hanya pada propeller . Interaksi propeller – lambung yang merupakan faktor penting pada “total propulsive efficiency” tidak diperhitungkan , juga “unsteady properties” (kavitasi dan vibrasi). Salah satu cara untuk menentukan / membandingkan propeller yang satu lebih baik dari pada lainnya, yaitu menggunakan Konstanta Koefisien Energi. Olsen (2001) .dengan penggunaan “koefisien energi “, seberapa besar kehilangan energi (energy losses) pada saat bekerjanya propeller dapat diketahui / di perkirakan .Dalam bekerjanya,propeller tidak bisa di lepaskan dengan apa yg di namakan “kehilangan energi” yang dapat di uraikan menjadi 3 komponen : axial loss ,rotational loss dan frictional loss . Axial loss lebih di sebabkan oleh peningkatan axial momentum oleh air / fluida untuk menimbulkan gaya dorong (Thrust). Untuk mendapatkan propeller
38
yang seefisien mungkin, maka rotational dan frictional losses haruslah diminimalkan , dan ini memperjelas bahwa untuk mendapatkan propeller dengan tingkat efisiensi yang tinggi . maka propeller haruslah : no slipstream rotation dan no frictional loss 2.2. Turbin Untuk perhitungan gaya-gaya hydrodinamis pada daun turbin, penggunaan BEMT (Blade Element Momentum Theory) akan sangat membantu untuk menganalisis dua hal dalam perhitungan turbin : 1. untuk melakukan kesetimbangan momentum sejumlah fluida yang berputar sebelum dan sesudah turbin 2.
menentukan gaya-gaya yang ditimbulkan oleh gaya angkat (Lift) dan gaya tahan (Drag) aerofoil pada sejumlah potongan sepanjang daun turbin
2.2.1. Momentum theory Dalam teori turbin, hal mendasar yang perlu diperhatikan adalah prinsip kerja turbin. Turbin akan mengubah energi kinetik aliran menjadi energi mekanik (untuk memutar rotor generator). Dalam teori momentum, turbin diasumsikan sebagai piringan (disc) dan aliran diasumsikan ideal. Dengan menggunakan prinsip konversi momentum, gaya T adalah Thrust yang bekerja pada disc seperti yang dipresentasikan pada Gambar 2.15, dimana T adalah gaya aliran yang bekerja pada turbin dan madalah mass flow rate dari aliran.
39
Gambar 2.15a. Analisa turbin dengan Model Actuator disc ( Manwell et al., 2002)
Gambar 2.15b. Analisa turbin dengan Model Actuator disc ( Manwell et al., 2002) Dengan fungsi Bernoulli, berturut-turut untuk posisi point 1 ke disc kemudian disc ke point 2 (lihat Gambar 2.15b), dapat diekspresikan sebagai berikut Dari titik 1 ke disc,
P1
1 V12 2
1 V12 1 a 2
Pu
2
.....................................................(2.87)
Dari disc ke titik 2,
Pd
1 V12 1 a 2
2
P2
1 V22 2
40
................................................ (2.88)
Bila p1= p2, dan persamaan (2.88) dikurangkan terhadap persamaan (2.87) maka didapatkan perbedaaan tekanan antara Pu dan Pd sebesar,
Pu
1 2
Pd
V1
2
V2
2
.....………………………………..(2.89)
Maka besarnya Thrust pada disk dapat ditentukan sebesar,
T
A Pu
Pd
1 A V12 V22 2
.....………………………………..(2.90)
Bila kecepatan aliran sebelum turbin didefinisikan sebagai kecepatan aliran slipstream (Us=V1) sebesar VA+Ui sedangkan kecepatan aliran yang melewati turbin (VET) sebesar VA + 0.5 Ui dan kecepatan aliran setelah turbin sebesar VA (=V2 ) maka , axial induction factor, a, didefinisikan sebagai faktor penurunan kecepatan , a
Us
VET
..............................................................(2.91)
Us
VA U i V A 0.5U i VA U i Ui
2 VA
Ui
Dengan demikian apabila daya Turbin dipresentasikan dalam bentuk persamaan yang mengandung ”a” , maka daya Turbin Pt didapatkan sebesar
Pt
1 AU s3 4a 1 a 2
2
......................................................................(2.92)
Sedangkan kinerja turbin dipresentasikan sebagai koefisien daya Cp,
CP
P
1 AU 3 2
4a 1 a
2
..........................................................................(2.93)
Menurut batasan Betz, harga CP,Max = 0.5926, dimana nilai a =1/3. Bagaimanapun juga secara praktis nilai ini susah dicapai meskipun
Johansen et.al. (2009)
mencapai nilai di atas 0.51 . Dengan menggunakan metode yang sama, axial thrust T pada posisi disk 2 dapat ditentukan. Koefisien Thrust Loading CT didefinisikan sebagai besaran untuk
41
mengindikasikan besaran Thrust, seperti ditunjukkan pada persamaan 2.88 dan 2.89 sebagai berikut,
1 2 2 A U s VET 4a(1 a) ........................................................... (2.88) 2
T
T 1 2 2 A U s VET 2
CT
4a 1 a
................................................(2.89)
Pada hukum momentum di atas, rotasi wake tidak diperhitungkan pada besarnya aliran. Sebenarnya Analisa rotasi wake adalah metode lain untuk menghitung Daya (power) turbin yang dikembangkan oleh Glauert (1935). Masih pada Gambar 2.14, besarnya Thrust pada anular element , dT , sebesar
DT
P2
1 2
P1 dA
r 2 2 rdr
.................................... (2.90)
Dimana r adalah radius daun, dr adalah ketebalan daun, Ω adalah kecepatan sudut turbin, dan ω adalah kecepatan sudut aliran. Dengan cara yang sama, a’ didefinisikan sebagai angular ( tangential) induction factor,
a'
...................................................................................... (2.91)
2
Dengan mensubstitusikan persamaan 2.91 ke persamaan 2.90, didapatkan: dT
4 a' 1 a'
2
r 3 dr
............................................................... (2.92)
Dengan menggunakan analisis axial momentum , didapatkan dT
U 2 4a 1 a rdr ....................................................................(2.93)
Ratio kecepatan setempat (local speed ratio), λr , didefinisikan sebagai : r
r U
a1 a a' 1 a'
1/ 2
..................... ...........................................(2.94)
Sedangkan besarnya speed ratio ,
R ............................................................................................ (2.95) U Sistem vortex menghasilkan komponen kecepatan axial dan tangential, sebesar Va Vrot
1 a Va ....................................................................................(2.96) 1 a' r
............................................................................... (2.97)
42
Hubungan kecepatan aliran sebelum dan sesudah disk serta di daun turbin itu sendiri diformulasikan sebagai induksi faktor. Axial induction factor digunakan untuk menentukan hubungan kecepatan sebelum disk, kecepatan yang melewati disk dan sesudah disk. Dengan mensubstitusikan persamaan (2.97 dan 2.98) ke dalam persamaan power dan thrust (2.98) dan (2.99), maka didapatkan 2
P
2 Va3 a 1 a A ........................................................................ (2.99)
T
2a V02 1 a A ..........................................................................(2.100)
Dengan melihat bahwa fungsi dasar dari turbin adalah mengubah energi kinetik aliran menjadi energi mekanik, maka besarnya tenaga yang bisa dibangkitkan oleh turbin dapat dinyatakan sebagai,
Pavail
1 mV02 2
1 V03 A 2
.......................................................... (2.101)
Sedangkan koefisien power dan thrust, didefinisikan sebagai (dimensionless),
CP
CT
P
1 V03 A 2
....................................................................................(2.102)
T
............................................................................... (2.103)
1 V02 A 2
Kedua koefisien tersebut dapat dicari dengan mensubstitusikan kedua persamaan tersebut ke persamaan (2.98 dan 2.99) 2
CP
4a 1 a
CT
4a 1 a ..................................................................................(2.105)
................................................................................ (2.104)
Dari pembahasan tentang angular momentum, pada annular element adalah dQ,
dQ
rr dm
U 2 2 rdr
r r ................................................. (2.106)
Bila persamaan 2.94 dan 2.103 disubstitusikan pada persamaan 2.105, didapatkan dQ
4a 1 a U r 3 dr ...............................................................(2.107)
43
2.2.2. Teori Blade element momentum Sedangkan Blade Element Theory mengandalkan pada dua asumsi utama: 1. bahwa tidak ada interaksi aerodinamik/hydrodinamik antara elemen daun 2. bahwa gaya-gaya element daun dihitung didasarkan pada koefisien gaya angkat (lift) dan gaya tahan (drag) Bila daun turbin dibagai dalam n elemen seperti ditunjukkan pada Gambar 2.16 maka setiap elemen daun akan mengalami sedikit perbedaan aliran seperti halnya perbedaan Rotational speed (Ωr), perbedaan panjang daun (chord length) c, dan perbedaan twist angle (γ). Pada Blade element theory daun turbin dipotong menjadi beberapa seksi sesuai dengan kebutuhannya (biasanya antara 10 sampai 20 element), dan aliran pada setiap elemennya dihitung. Sedangkan performance seluruhnya dihitung berdasarkan integrasi bentangan daun.
Gambar 2.16. Flow di dalam daun turbin Pada saat akan masuk turbin, aliran tidak berputar tetapi sesaat setelah keluar dari putaran turbin aliran akan berputar dengan kecepatan sudut sebesar ω sepanjang daun turbin. Rata-rata aliran akan berputar (rotational flow) sepanjang daun turbin sebesar ω/2, hal ini disebabkan oleh wake rotation . Daun turbin akan berputar dengan kecepatan sudut Ω. Rata-rata kecepatan tangential yang dialami daun turbin adalah sebesar Ωr+0.5(ωr) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.17. Dengan memperhatikan Gambar 2.17, dan setelah melalui beberapa tahap penurunan aljabar didapatkan hubungan
44
V (1 a) …………………..….....……….........(2.108) cos Gaya-gaya yang bekerja pada daun turbin seperti ditunjukkan pada Gambar 2.17, dengan suatu asumsi bahwa gaya angkat (L) dan gaya tahan (D) tegak lurus terhadap arah aliran datang. Pada tiap blade elements besaran gaya angkat dan gaya tahan adalah sebagai berikut : dF
dL cos
dD sin
..........…….. ....................(2.109)
dFx
dL sin
dD cos
….......…….. ...................(2.110)
Dimana dL dan dD adalah gaya angkat dan gaya tahan untuk masing-masing elemen daun.dL dan dD dapat ditentukan dari definisi Koefisien Gaya angkat (CL) dan Gaya tahan (CD) seperti berikut ini :
Gambar 2.17. Gaya-gaya pada daun turbin
CL
1 W 2 cdr ………………………………...…........(2.111) 2
dD C D
1 W 2 cdr …………..………………...................(2.112) 2
dL
Bila ada Z daun, akan didapatkan
dFx
Z
1 W 2 (C L sin 2
C D cos )cdr …….…...............(2.113)
dF
Z
1 W 2 (C L cos 2
C D sin )cdr ……………….....(2.114)
Besarnya Torque pada setiap elemen ,dQ, adalah sangat mudah ditemukan yakni dengan mengalikan persamaan 2.114 (tangential force) dengan radius :
45
1 W 2 (C L cos 2
dF
Z
C D sin )crdr …………............(2.115)
dFx
Q V1 4a(1 a) rdr ………….………….…………(2.116)
dT
Q 4a ' (1 a ) V r 3 dr ………………...………….......(2.117)
2
Kontribusi total power dari setiap annulus adalah
dP
dT …………………………………...………...…...(2.118)
Total power dari rotor : P
R
dPdr
rh hh
R
dTdr …………………………..…………............(2.119)
rh
Dimana rh adalah radius hub. Power coefficient adalah sebagai berikut : R
CP
P
1 2
Pjetwash
dT
rh 2
RV
3
………………………….....…………....(2.120)
Dengan menggunakan persamaan 2.119, dimungkinkan untuk mengembangkan integral power coefficient secara langsung. Setelah dari penjabaran aljabar ditemukan
CP
8
Q
2
r
3
a' (1 a) 1
CD tan CL
d
r
………………....(2.121)
Besarnya induksi factor dapat didekati dengan persamaan 2.122 dan 2.123 (Hansen, 2008). a
a'
1 2
4 sin C L cos C D sin 1 4 sin cos C L sin C D cos
1 1
1
4 sin 2 CT
.........……………. (2.122) 1
1 4 sin cos CT
1
…….……….… (2.123)
Dalam sejumlah kasus, untuk penyederhanaan perhitungan, Cd dapat diabaikan tanpa mengurangi perhitungan a dan a’ (Manwell et al., 2002), kemudian kedua persamaan di atas menjadi
46
a
a'
1 4 sin 2 CT 1 4 sin cos CT
.............................................................................(2.124) 1
1
………………………………………………..(2.125)
2.3. Aliran propeller-turbin Konservasi massa dipakai untuk menghitung distribusi massa propellerturbin. Dengan perkataan lain, bahwa sirkulasi propeller-turbin dihitung berdasarkan perpindahan massa yang sama antara propeller dan turbin. Permasalahan aliran slipstream popeller turbin ataupun dual propeller telah dikaji oleh beberapa ahli. Diantaranya adalah Blaurock (1983) dan Chen (1989) yang telah menguraikan komponen kecepatan GVW (Grim Vane Wheel), Molland dan Turnock (1994) telah mengamandemen faktor induksi (induction factor) karena adanya blockage di belakang propeller.
Holtrop (2001) telah
menguraikan komponen kecepatan yang terjadi pada Co/Contra Rotating Propeller. Pada current analysis, blokage benda di belakang propeller akan mempengaruhi aliran slipstream. Molland dan Turnock (1994), telah menganalisis pengaruh blockage
terhadap aliran
slipstream.
Blockage
kemudi
akan
menghasilkan arus balik yang disebabkan oleh aliran ke arah tangential, sehingga besarnya faktor induksi (induction factor) haruslah dikoreksi. dengan suatu faktor yang didefinisikan sebagai a” (race rotation factor). Besarnya koreksi bersifat konstan pada sepanjang potongan daun (dari hub ke tip). Body diagram kecepatan untuk elemen propeller yang di belakangnya ada blockage dapat digambarkan seperti Gambar 2.18, sedangkan besarnya a” dapat dihitung dengan formula, a"
VT J * VA x
VT * tan VA
................................................................(2.126)
Sehingga besarnya axial dan tangential induction factor menjadi,
47
a
1
i
tan
i
a' 1
a" 2
1 a
i
Besarnya Thrust
............................................................................. (2.126)
a" ....................................................................... (2.127)
dihitung dengan mengintegrasikan nilai Thrust setempat
(persamaan 2.18) dari hub sampai dengan tip propeller,
dKT dx
2
Zc 2 C L x 2 1 a' a" sec 1 tan tan 4 D
...................... (2.128)
Body diagram kecepatan pada propeller turbin dapat dilihat pada Gambar 2.19 s/d Gambar 2.21. Gambar 2.19, diambil dari Chen (1989) dimana bagian terluar dari sistem (bagian seksi propeller pada Grim Vane Wheel) dihilangkan. Gambar 2.20 diambil dari Epps (2010), dimana Gambar tersebut merupakan superposisi dari elemen daun propeller dan turbin tanpa memperhitungkan interaksi antara keduanya. Diagram tersebut berbasis pada teori garis angkat (Lifting Line Theory). Gambar 2.21 diambil dari Blaurock (1983), sama dengan Gambar 3.7, bagian propeller pada vane wheel-nya dihilangkan.
Gambar 2.18. Velocity diagram pada element daun propeller yang ada blockage effectt (Molland, 1994)
48
Menurut Chen, adanya peningkatan propulsive efficiency propeller pada sistem GVW lebih disebabkan oleh 1. adanya pengurangan rotational energy losses di slipstream propeller 2. adanya pengurangan axial kinetic energy losses di propeller slipstream 3. adanya additional thrust (penambahan gaya dorong) Pengurangan rotational energy losses pada system GVW disebabkan oleh bagian turbin dari penggerak vane-wheel menghasilkan kecepatan tangential yang berlawanan arah dengan kecepatan tangential propeller. Pengurangan axial energy losses disebabkan oleh pergeseran maximum blade loading ke arah dalam. Sedangkan penambahan thrust lebih disebabkan oleh bentuk bagian terluar dari vane wheel adalah potongan propeller. Masih menurut Chen , dalam perancangan GVW ada 3 (tiga) kaidah hukum conservation yang harus dipenuhi agar design GVW optimum. Ketiga hukum conservation tersebut adalah momentum conservation, mass conservation dan circulation conservation.
Gambar 2.19. Diagram Kecepatan propeller-turbin (Chen, 1989)
49
Gambar 2.20. Diagram Kecepatan propeller dan turbin (Epps, 2010)
Gambar 2.21. Diagram Kecepatan propeller-turbin (Blaurock, 1983)
50
51
Bab 3 METODOLOGI 3.1.Analisa awal propeller-turbin Hal terpenting dalam pengungkapan masalah turbin di belakang propeller adalah kecepatan aliran slipstream yang menuju turbin. Memformulasikan kecepatan aliran di belakang propeller merupakan hal yang sangat kompleks , begitu juga menghitung interaksi aliran yang terjadi antara propeller-turbin. Untuk lebih mempermudah dan mempercepat proses analisa maka dilakukan beberapa penyerdahanaan permasalahan dalam perhitungan, 1. Aliran yang terjadi antara propeller dan turbin dihitung berdasarkan perhitungan perancangan CRP 2. Aliran antara propeller dan turbin dihitung secara bebas tanpa ada koreksi terhadap interaksi antara propeller dan turbin. 3. Jarak antara propeller dan turbin (d) diasumsikan d/Dp maksimum 1. Hal ini dikarenakan turbin terletak di depan kemudi kapal. 4. Efficienci Gain merupakan effisiensi Gain ideal artinya effisiensi yang didapatkan tanpa memperhitungkan kehilangan mekanis (mechanical losses) Semua perhitungan yang berkaitan dengan analisa propeller vane turbin dilakukan dengan bantuan software aplikasi spreadsheet Excell Microsoft. 3.1.1. Kecepatan aliran slipstream Dalam perhitungan kecepatan aliran slipstream yang menuju turbin, digunakan teori yang sama dengan teori perancangan CRP (Contra Rotating Propeller).
Menurut Holtrop [2001], dalam perancangan CRP ( Contra/Co
Rotating Propeller) aliran yang menuju Rear Propeller merupakan gabungan antara Advance velocity dan self induced velocity propeller yang ada di depannya. Besarnya self induced velocity ini bergantung pada jarak antara propeller depan dan belakang ( Fore dan Rear propeller ) seperti yang digambarkan pada Gambar 3.1.
51
Holtrop [2001], besarnya induced velocity ke arah axial
di dalam
propeller disc diformulasikan sebesar,
Ui
VA
1 1 CT 2
0.5
0.5 ......…………………………......…….....(3.1)
Sedangkan induced velocity kearah axial pada jarak tertentu di belakang propeller (x) diekspresikan dalam bentuk
Ui
dVA
1 1 CT 2
0.5
0.5 ..……………………………..…….......(3.2)
Menurut teori Guilloton (1947), “d” adalah koefisien jarak dan “d” akan bernilai 1 jika jarak antara keduanya sangat dekat. Bila pengaruh turbin terhadap aliran (VA propeller) tidak diperhitungkan, maka “d” bernilai 0.3. Sedangkan pengaruh propeller terhadap speed of advance turbin, maka “d” bernilai 1.4.
Gambar 3.1. Diagram Kecepatan CRP (Holtrop, 2001) Karena pengaruh wake
(baik di propeller maupun di turbin) maka
besarnya induced velocity dari daun propeller dan turbin dapat ditulis menjadi, -
Vf
Di propeller,
V A 1 dw f
d uVi
r
*
1 1 CT 2
d uVi
f
*
1 1 CT 2
f
0.5
1 ………….............…(3.3) 2
-Di turbin,
Vr
V A 1 dw f
52
r
0.5
1 ………..……........…(3.4) 2
Vi-r adalah velocity induced turbin pada bidangnya (turbin plane). Sedangkan V i-f adalah velocity induced akibat propeller pada bidang propeller (propeller plane). Dari data percobaan model yang telah dilakukan oleh MARIN untuk CRP, didapatkan hubungan sebagai berikut : w (f) = w(sp) + 0.07 …………………………………………………...(3.5) w (r) = w(sp) + 0.11 .............................................................................(3.6) dimana w(sp) adalah effective wake fraction untuk single propeller dengan diameter yang sama besar. Besarnya aliran yang masuk propeller karena adanya interaksi antara propeller dan turbin sebesar : VA
1 w 0.07 * 1 0.0068
V1 r d u .……………........................(3.7)
Gambar 3.2. Peningkatan wake fraction kapal single screw dengan penurunan 10% diameter.(Holtrop,2001) 3.1.2. Perhitungan Parameter Design Propeller-Turbin Propeller-turbin dianalisa tidak dalam aliran homogen (open water), tetapi dalam aliran nonhomogen (wake flow) sehingga faktor bentuk kapal haruslah diperhitungkan. Pemasangan turbin di belakang propeller akan membawa dampak pada kinerja propeller ataupun kinerja kapal secara keseluruhan.
53
Dengan demikian, untuk kebutuhan analisa pemasangan turbin di aliran slipstream propeller, parameter-parameter design yang dibutuhkan untuk perhitungan lebih lanjut adalah, 1.
diameter propeller
2.
thrust propeller
3.
wake fraction
4.
power engine (SHP)
Untuk mendapatkan nilai parameter-parameter tersebut diperlukan beberapa buah kapal dengan berbagai ukuran, tipe dan jumlah propeller (single dan twin screw) seperti yang terangkum dalam Tabel 3. Dari sejumlah kapal yang dipakai sebagai obyek penelitian, nilai paramaterparameter design tersebut didapatkan dengan dua cara, -
perhitungan numerik/software DESP PC
-
hasil uji model di towing tank.
Software DESPPC merupakan shoftware perhitungan Powering Kapal yang dibuat oleh MARIN (Maritime Research Institutes the Netherlands) yang dipergunakan untuk menghitung/memprediksi daya mesin atau kecepatan kapal. Bentuk masukan (in put) program DESPPC dapat dilihat pada Gambar 3.3, sedangkan bentuk luarannya (out put) ada 2 macam : -
iterasi optimasi design propeller ( dengan variasi diameter dan putaran propeller (RPM)
-
statistical method untuk estimasi powering kapal ( resistance, thrust dan SHP (Shaft Horse Power))
Secara lengkap, luaran (out put) perhitungan dan hasil uji model dapat dilihat pada Lampiran 1. Disamping dari running program software, nilai parameter-parameter design seperti terebut di atas untuk beberapa buah obyek penelitian didapatkan dari hasil uji model di Towing Tank (Lampiran 2).. Hasil perhitungan powering (baik dari perhitungan dengan software DESPPC ataupun dari hasil uji coba model di Towing Tank) dirangkum dalam Tabel 4 dan Tabel 5.
54
Gambar 3.3. Tampilan Program masukan (in put) DESPPC.
55
Tabel 3.a. Ukuran/dimensi kapal (obyek penelitian) Main Dim.
Tanker 1
Bulk Carrier 1
Pasanger.1
Container 1
Cruise Liner
Pasanger 2
LWL LPP B T Displ. Vs (knt)
152.60 149.50 27.70 7.00 23464.00 13
182.25 179.30 30.50 11.00 50858.00 14.5
51.38 50.00 12.00 2.30 1006.00 12
278.60 276.00 43.15 10.98/9.75 82179.00 16.5
139.36 134.20 21.40 5.30 9249.00 18
68.16 63.00 12.60 2.64/3.29 1476.00 18
Container 2 167.82 167.74 27.50 9.70 29876.70 19
Ropax
Tabel 3.b. Ukuran/dimensi kapal (obyek penelitian) Main Dim. LWL LPP B T Displ. Vs (knt)
General Cargo 1 102.09 99.60 17.60 6.61 8391.00 13
Cement Barge 105.15 103.00 24.00 4.70 10159.00 9.00
KPC
39.81 38.80 6.86 2.00 275.00 26.00
KCRS
55.35 55.35 8.10 2.40 395.00 28.00
Tabel 3.c. Ukuran/dimensi kapal (obyek penelitian) Main Dim. LWL LPP B T Displ. Vs (knt)
LCT
112.21 109.80 16.40 3.00 4433.00 16.00
Rescue V
76.15 73.15 13.60 3.00 1586.00 22.00
Coal Barge 70.10 69.05 19.51 2.97 3523.00 8.00
Tanker 2 204.80 11.00 58340.00 14.000
Tabel 3.d. Ukuran/dimensi kapal (obyek penelitian) Main Dim. LWL LPP B T Displ. Vs (knt)
Marin Puls 16 278.98 11.73 94924.00 19.50
Tanker VMB 156.60 154.00 26.80 7.00 23409.70 13.00
General Cargo 2 103.95 102.50 15.85 5.02/6.75 5907.00 18.00
LNG 276.00 275.73 43.15 9.72/10.98 82179.00 19.50
HSVA (BC)
186.65 30.00 10.70 52106.00 14.00
Marin 24927 319.48 311.99 48.20 13 121009.00 24.00
BC 31000
170.65 167.00 28.00 10.30 38647.00 14.00
Kpl research 55.00 61.00 12.00 3.70 1470.00 12.00
Accpet1
Accept3
Accept 4
181.00 178.00 32.23 10.97 51246.00 16.00
105.00 105.00 17.80 7.80 10500.00 15.00
186.65 30.00 10.70 52106.00 14
Tabel 3.e. Ukuran/dimensi kapal (obyek penelitian) Main Dim. LWL LPP B T Displ. Vs (knt)
107.00 99.20 19.60 4.00 4552.00 16
Fishing Vessel
20416.00 1.60 84.10 9.50
RoRo Fery 146.95 146.00 24.00 6.50 14157.00 21.00
Tabel 4.a. Hasil perhitungan optimasi propeller pada beberapa obyek
56
Main Dim. Dp Z Ae/Ao PDRA
penelitian Tanker 1
Bulk Carrier 1
Pasanger.1
Container 1
4.500 4/1 0.596 0.867
6.839 4/1 0.434 0.786
1.632 4/2 0.472 0.689
7.000 5/1 0.742 1.27
Cruise Liner
Passanger 2
3.800 4/2 0.713 0.978
2.000 4/2 0.801 0.853
Tabel .4b. Hasil perhitungan optimasi propeller pada beberapa obyek penelitian Main Dim. Dp Z Ae/Ao PDRA
General Cargo 1 3.800 4/1 0.490 0.847
Cement Barge 2.600 4/2 0.450 0.614
KPC
1.600 4/2 1.327 0.852
KCRS
1.500 4/2 1.223 1.003
Container 2 6.200 4/1 0.625 0.92
Ropax 2.600 4/2 0.688 0.984
Tabel 4.c. Hasil perhitungan optimasi propeller pada beberapa obyek penelitian Main Dim. Dp Z Ae/Ao PDRA
LCT
2.500 4/2 1.087 0.937
Rescue V
Coal Barge 1.350 4/2 0.700 1.105
2.100 4/2 0.981 0.655
Tanker 2 6.200 4/1 0.480 0.742
LNG
7.000 5/1 0.774 0.511
Kpl research 1.850 4/2 0.400 1.007
Tabel 4.d. Hasil perhitungan optimasi propeller pada beberapa obyek penelitian Main Dim. Dp Z Ae/Ao PDRA
Marin Puls 16 8.500 5/1 0.531 0.984
Tanker VMB 4.600 4/1 0.518 -
General Cargo 2 4.500 4/1 0.65 1
Accpet1
7.149 4/1 0.566 0.707
Accept3
Accept 4
5.300 4/1 0.497 0.922
Tabel 4.e. Hasil perhitungan optimasi propeller pada beberapa obyek penelitian Main Dim. Dp Z Ae/Ao PDRA
HSVA
6.000 4/1 0.390 0.809
Marin 24927 9.500 6/1 0.969 1.064
BC 31000
5.000 5/1 0.605 0.761
Fishing Vessel 1.131 4/1 0.654 0.597
RoRo Ferry 4.800 4/1 0.646 1.040
Tabel 5.a. Hasil perhitungan powering pada beberapa obyek penelitian
57
4.000 4/2 0.673 1.169
Main Dim. w T (kN) PS(kW) n
Tanker 1 0.455 407.300 3192.000 119.900
Bulk Carrier 1 0.255 754.700 6827.000 89.900
Pasanger.1 0.235 87.100 738.000 389.800
Container 1 0.216 1420.300 16876.000 79.900
Cruise Liner 0.401 592.000 5806.00 149.900
Passanger 2 0.221 255.600 3282.000 399.800
Tabel 5b. Hasil perhitungan powering pada beberapa obyek penelitian Main Dim. w T (kN) PS(kW) n
General Cargo 1 0.249 243.000 2094.000 150.000
Cement Barge 0.233 217.300 1572.000 238.400
KPC
KCRS
0.164 345.800 18181.000 1157.500
0.164 345.800 6677.000 780.800
Container 2 0.277 1010.000 11693.000 115.000
Ropax
0.113 243.900 2821.000 237.600
Tabel .5c. Hasil perhitungan powering pada beberapa obyek penelitian Main Dim. w T (kN) PS(kW) n
LCT
Rescue V
0.189 428.000 5442.000 295.900
0.095 435.400 9503.000 646.600
Coal Barge 0.256 70.000 425.000 318.400
Tanker 2 0.343 727.00 5810.000 90.600
LNG
0.143 2251.800 43013.000 199.900
Kpl research 0.390 59.200 499.000 245.800
Tabel 5.d. Hasil perhitungan powering pada beberapa obyek penelitian Main Dim. w T (kN) PS(kW) n
Marin Puls 16 0.257 1943.000 18457.000 77.300
Tanker VMB 0.500 432.200 3135.000 150.200
General Cargo 2 0.145 463.000 5352.000 127.200
Accpet1
Accept3
Accept 4
0.332 924.000 8424.000 99.900
0.303 251.000 2553.000 100.000
0.120 658.000 8601.000 149.900
Tabel 5.e. Hasil perhitungan powering pada beberapa obyek penelitian Main Dim. w T (kN) PS(kW) n
HSVA
0.315 658.000 4871.300 88.600
Marin 24927 0.299 2729.000 38115.000 78.600
BC 31000
0.354 617.000 5035.950 131.000
Fishing Vessel 0.258 17.600 128.000 476.700
RoRo Ferry 0.250 942.000 13254.000 162.900
3.1.3. Perhitungan Diameter Turbin Turbin yang dipasang di belakang propeller, diameternya tidak boleh lebih besar daripada diameter konstraksi slipstream. Sedangkan diameter slipstream dihitung dengan formulasi dari Hydrocom (Tabel 1). Bila harga Koefisien Thrust Loading propeller (C T), jarak turbin terhadap propeller (x) yang besarnya
58
maksimum 1 (atau x/D=1), serta luasan actuator disc (Ao ) diketahui, maka besarnya diameter slipstream pada posisi tersebut sebesar, Dx
4 * Ax
Tabel.6. Diameter propeller dan diameter Turbin pada beberapa tipe kapal No.
Tipe Kapal
Dp (m)
Dt (m) (Hydrocom)
1.
Tanker
4.500
3.800
2.
OHBC
6.840
6.250
3.
Pax200
1.630
1.400
4.
Container
7.000
6.300
5.
Cruise Liner
3.800
3.290
6.
Pax1000GT
2.000
1.740
7.
General Cargo 1
3.800
3.420
8.
Cement Barge
2.600
2.250
9.
KPC
1.600
1.460
10
KCRS
1.500
1.370
11
Container 2
6.200
5.670
12
Ropax
2.600
2.340
13
LCT
2.500
2.150
14
Rescue Vessel
2.100
1.930
15
Coal Barge
1.350
1.140
16
Tanker 2
6.200
5.820
17
LNG
7.000
6.340
18
Kapal Research
1.600
1.560
19
MARIN 16
8.500
7.800
20
Tanker VMB
4.600
3.910
21
General Cargo 2
4.500
4.190
22
Accept1
7.150
6.500
23
Accept3
5.200
4.780
24
Accept4
5.750
5.180
25
HSVA
6.000
5.380
26
MARIN 24927
9.500
8.920
27
BC31000
5.000
4.370
28
Fishing Vessel
1.130
1.030
29
Roro Ferry
4.800
4.390
59
Secara lebih lengkap, perhitungan diamater turbin dapat dilihat pada Lampiran 3 (Perhitungan Diameter Turbin) dengan aplikasi Spreadsheet (EXCELL). Secara keseluruhan, perhitungan diameter turbin dirangkum dalam Tabel 6. Hasil perhitungan diameter turbin yang didapatkan dengan metode Hydrocom berkesesuaian dengan hasil pengukuran yang telah dilakukan oleh Blanton (1988). Blanton menggunakan LDV untuk mengukur diameter slipstream. Pada daerah pengukuran dengan x/D=1 ratio diameter slipstream terhadap diameter propeller berkisar 0.9. 3.1.4. Perhitungan performance propeller turbin Besarnya daya (power) yang didapatkan oleh turbin dihitung sesuai dengan diagram alir pada Gambar 3.4. Parameter design turbin seperti w (wake fraction), T (Thrust propeller), n (Rpm propeller), Dp (diameter propeller), SHP (Shaft Horse Power) didapatkan dari perhitungan numerik dan ataupun Hasil Uji Model di Towing Tank. Besarnya Koefisien Thrust Loading (C T) propeller dihitung untuk menentukan harga self induced velocity daun propeller (Ui) (persamaan 3.1). Teori pendekatan dari Guilloton (1947) (persamaan 3.2) digunakan untuk menentukan kecepatan aliran slipstream (U s) yang menuju Turbin .Penggunaan Actuator Disc Theory dan Momentum Theory dari Manwell (2002) dipakai untuk menghitung besarnya Thrust dan Daya (Power) turbin. Turbin akan mengubah energi kinetik aliran slipstream menjadi energi gerak/mekanik, energi inilah yang akan memutar turbin yang terpasang. Disamping itu, turbin akan memberikan respon gaya yang searah dengan arah aliran (negatif thrust). Dengan demikian secara sederhana, hubungan Thrust propeller dan negative thrust turbin dapat dihubungkan dengan persamaan aljabar sederhana ,
T pt
Tp
Tt ....................................................................................... (3.14)
Dikarenakan adanya pengurangan Thrust, maka kecepatan kapal akan berkurang (adanya speed loss akibat adanya turbin).
60
Disamping adanya negative thrust, turbin akan menghasilkan daya (power). Besarnya daya yang dihasilkan turbin merupakan tambahan daya pada kapal yang dipakai untuk menggerakkan generator listrik pada kecepatan actual kapal (kecepatan kapal setelah dipasang turbin di slipstream propeller). Pada tahap awal, analisa pemasangan turbin di propeller slipstream dikaji dengan menggunakan teori Actuator Disc. Hal ini dilakukan untuk mempermudah penyelesaian masalah. Dengan teori ini, turbin di belakang propeller diasumsikan sebagai piringan (disc) berputar. Jadi pengaruh jumlah daun turbin tidak diperhitungkan. Dengan menggunakan software EXCELL, tabulasi perhitungan performance turbin dilakukan. Perhitungan performance turbin dapat dilihat pada Lampiran 4 Perhitungan Performance Turbin.
Gambar. 3.4. Diagram alir perhitungan performance Propeller-Turbin.
61
3.2.Analisa lanjut performance propeller turbin Dengan penggunaan Lifting line theory (untuk menghitung performance propeller) dan Combined Blade Element Momenetum Theory (untuk menghitung performance turbin), performance propeller-vane turbine di slipstream propeller hasilnya lebih akurat karena jumlah daun propeller dan turbin diperhitungkan. Secara skematis proses analisa tersebut dipresentasikan dalam Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Analisa Lanjut Propeller vane turbin
62
Seperti yang digambarkan pada Gambar 3.5 di atas, dengan diketahuinya thrust propeller (propeller B series) yang dibutuhkan oleh kapal, maka dengan inverse methode besarnya self induced velocity daun propeller bisa dihitung dengan menggunakan teori garis angkat (Lifting Line Theory). Kemudian performence turbin di belakang propeller bisa dihitung dengan menggunakan metode Combined Momentum Blade Element Theory (CMBET). 3.2.1 Komponen kecepatan propeller-turbin Berdasar pada bodi diagram yang telah dibuat oleh Chen dan Blaurock pada sistem Grim Vane Wheel, maka bodi diagram kecepatan untuk propeller vane turbin pada sistem yang ditawarkan dapat dipresentasikan seperti pada Gambar 3.6. Perhitungan komponen kecepatan yang terjadi pada Propeller-Turbin dilakukan dalam beberapa tahapan,
- komponen kecepatan yang terjadi pada potongan daun propeller - komponen kecepatan yang terjadi pada potongan daun propeller-turbin dengan memperhatikan pengaruh interaksi antara keduanya.
Gambar 3.6. Bodi diagram kecepatan potongan daun Propeller Turbin
63
Untuk mengetahui komponen kecepatan yang terjadi pada daun propeller (self induced velocity) digunakan metode perancangan propeller berbasis teori Garis Angkat ( Lifting Line Theory). Adapun tahapan perhitungannya adalah sebagai berikut, 1. Ditentukan diameter dan Rpm propeller (telah dihitung seperti pada Tabel 4 dan 5) 2. Dipilih distribusi ketebalan dan camber daun 3. Design distribusi panjang chord , c(r) 4. Design distribusi ketebalan , t(r) 5. Dientukan distribusi wake , w(r) 6. Design distribusi sirkulasi. Persamaan berikut ini yang paling banyak digunakan untuk merancang propeller, k[sin xx a sin 2 xx] m …………………………………….....(3.9)
Pada kasus ini, kekuatan sirkulasi akan ditentukan dengan mengatur nilai k, a dan m 7. Dihitung rata-rata kecepatan induced tangential pada semua radius potongan,
U Tmean
2 r
……………………………………………….…..(3.10)
8. Dihitung rata-rata Axial induced Velocity, UA untuk semua radius potongan daun dengan memakai hubungan, UA 2 UT 2 rn 2
V1 w
UT ……………………………………………(3.11) UA
9. Dihitung sudut serang hidrodinamik (hydrodynamic angle of attack) pada semua radius potongan daun, i
U Tmean U Amean
………………………………………………...…. (3.12)
10. Dihitung Faktor koreksi (cf), hal ini dilakukan karena faktor jumlah daun propeller. Faktor koreksi bisa dicari dengan dua cara yakni menggunakan Goldstein factors atau Induction factors.
64
11. Dihitung induced velocity component setelah dikoreksi pada langkah 10, UT UA tg
i
U Tmean cf U Amean Cf UT UA
………………………………………..…..…...(3.13)
12. Dihitung kecepatan total yang dihasilkan pada setiap radius potongan daun dengan memakai hubungan, V*
UA 2 ) 2
(V A
(2 rn
UT 2 ) ……………………….… (3.14) 2
13. Hitung Gaya Angkat (Lift) untuk setiap radiusnya dL
V*
……………………………………………………...(3.15)
14. Dihitung Koefisien Gaya Angkatnya (C L),
CL
dL
………………………………………….....….(3.16)
1 (V * ) 2 c 2
15. Dihitung Koefisien Gaya Tahanan (Drag Coefficient) pada setiap potongan daun,
CD
2C F 1 2
t c
……………………………………………..(3.17)
16. Dihitung Gaya Tahan (Drag Force) pada setiap potongan daun,
dD
1 (V * ) 2 C D cdr ……………………..………………..….. (3.18) 2
17. Dihitung total Thrust pada setiap potongan daun
dT
2 rn
UT dr dD sin 2
i
………………………..….(3.19)
18. Dihitung Torque pada setiap potongan daun,
dQ
VA
UA rdr dD cos 2
65
i
……………………………. (3.20)
19. Diintegrasikan/dijumlahkan hasil-hasil tersebut dari hub sampai dengan tip propeller untuk mendapatkan nilai total Thrust dan Torque. Tahapan tersebut dapat dipresentasikan dalam bentuk diagram alir (flowchart) seperti pada Gambar 3.7. Tabulasi perhitungan dilakukan dengan menggunakan bantuan spreadsheet software (EXCELL) sesuai dengan tahapan dan formulaformula yang tersebut di atas. Proses perhitungan dengan EXCELL dapat dilihat pada Lampiran Perhitungan Propeller untuk beberapa obyek uji.
Gambar 3.7. Diagram alir Design Propeller dengan Lifting Line Theory
66
3.2.2. Tahapan Perhitungan Daya Turbin Dalam perancangan Turbin penggunaan teori Combined Blade Element Momentum masih cukup akurat dipergunakan. Benini [2003] menyatakan “CMBET approach is considerable, compared to other more complex analysis techniques”. Hal senada juga disampaikan oleh Gupta et.al (2005). Dengan demikian untuk merancang turbin pada sistim propeller vane turbin akan digunakan teori CMBET seperti yang dilakukan Grant Ingram [2005], hal-hal yang harus ditentukan dalam merancang turbin, 1. Diameter Turbin, berdasar pada pendekatan teori perancangan CRP (persamaan dalam Tabel 1) 2. Pemilihan Tip speed ratio, seperti pada Tabel 7. Tabel.7. Tip speed ratio turbin λ
Z 1
8 – 24
2
6 – 12
3
3–6
4
3–4
Lebih dari 4
1–3
Untuk turbin pembangkit listrik, dianjurkan 4<λ<10 3. Jumlah daun Z , merupakan fungsi Tip speed ratio (Tabel 7). 4. Pemilihan bentuk/tipe aerofoil yang akan digunakan 5. Didapatkan dan dihitung berapa koefisien gaya angkat (Lift) dan gaya tahan (Drag) 6. Pengkondisian aerodinamik pada setiap aerofoil. 7. Daun Turbin dibagi menjadi beberapa potongan (blade element) (10 atau 20 buah potongan/seksi) 8. Blade twist dan chord, diturunkan dari persamaan
90o
2 tan 3
1
1
......................................................... (3.21)
r
67
a
a
1
4 cos2 ' C L sin
1
...........................................................(3.32)
1 3a ...............................................................................(3.33) 4a 1
Proses di atas merupakan proses iterasi sampai didapatkan harga a dan a’ convergen. Performance turbin didapatkan dengan mengintegrasikan hasil-hasil yang didapat pada masing-masing element/potongan daun turbin dengan menggunakan persamaan (2.118 s/d 2.120). Proses pengintegrasian dilakukan secara numerik dengan menggunakan metode Ronberg ( lihat Lampiran ? Integrasi Ronberg). Secara skematik proses perancangan turbin dipresentasikan pada Gambar 3.9. Tipe foil yang digunakan sebagai bahan perancangan turbin seperti yang dipakai Ingram [2005], menggunakan NACA 0012. Informasi mengenai foil NACA 0012 secara lengkap dipresentasikan oleh I H Abbot (1958) halaman 321 dan 463, sedangkan bentuk foil NACA 0012 dapat dilihat pada Gambar 3.8
Gambar 3.8. Foil Naca 0012
68
Z,r,c,V,λ,γ
'
Input Data
Z *c 2 r
Omega V r
r V
r
2 1 180 a tan * ........[ rad ] 3 r
90 rad
.......... .......... .......... .......... [deg]
180
i CL
1
a
2
4 cos ' C L sin
1 a'
1 3a 4a 1
1 a' .......... .........[ deg] 1 a new .......... .......... .......... .......... .........[ deg]
new
A tan
i
r
.......... .........[ deg] CL
a
69
b
a
b
' C L sin 4 cos 2
k
a new a' new
a
new new
k 1 k 4
r
an
' C Lnew
cos2
new
a
a' a' new a' a new
a a
a' new
a' a' T
Convergen Y
a r , a' r , i r ,
r (deg)
Gambar 3.9. Diagram Alir perancangan Turbin
70
3.3. Uji Statistik Dalam menganalisa aplikasi propeller-turbin, metode statistik yang digunakan, diantaranya adalah 1. Analisa Jalur (Path Analysis) , digunakan untuk mengetahui korelasi antar variabel. 2. Outliers, untuk mensortir data yang tidak dibutuhkan 3. Uji kenormalan data, untuk mengetahui distribusi kenormalan data (mengenerelasasi kesimpulan) 4. R squared, untuk uji prediksi/korelasi Dengan aplikasi program statistik yang berada pada program spreadsheet Excell, permasalahan statistik tersebut diselesaikan. 3.3.1. Analisa pengaruh bentuk kapal terhadap Efficiency Gain Propeller-Turbin dengan metode Path Analysis Penggunaan Analisa Jalur lebih dikenal dengan Path Analysis yang dikembangkan pertama kali oleh seorang ahli genetika yaitu Sewal Wright (1921), seperti yang diungkapkan oleh Akintunde (2012), digunakan untuk menganalisa hubungan antara ukuran utama kapal (seperti : main dimension ratio) terhadap efficiency gain propeller-turbin. Pemakaian model Path Analysis dimaksudkan untuk menganalisa pola hubungan antar variabel dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh langsung maupun tidak langsung ratio ukuran utama kapal (variable eksogen) terhadap efficiency gain (variable endogen) oleh propeller-turbin. Oleh sebab itu, rumusan masalah penelitian dalam kerangka Path Analysis berkisar pada : 1. Apakah variabel eksogen (X1 , X2 , ..... , Xk) berpengaruh terhadap variabel endogen Y 2. Berapa besar pengaruh kausal langsung, kausal tidak langsung, kausal total maupun simultan seperangkat variabel eksogen (X 1,X2, ..., Xk) terhadap variabel endogen Y. Secara umum persamaan Path Analysis dapat dinyatakan sebagai, p 01 X 1
p 02 X 2
p 03 X 3 U
Y
......................……....................... (3.34)
71
Analisa pengaruh bentuk kapal dalam hal ini ratio ukuran utama kapal dan faktor lainnya yang mempengaruhi besaran Efficiency Gain (EG) dilakukan dengan cara EG dianggap sebagai variabel endogen (dependent variable) dan L/B, B/T, w, CT sebagai variabel eksogen. Dengan bantuan speadsheet Microsoft Excell, penyelesaian Path Analysis dilakukan seperti pada diagram alir Gambar 3.10.
Gambar 3.10. Diagram Path Analysis dengan Program Excell Setelah dilakukan proses perhitungan Path Anaylisis dengan program Excell, kriteria AN Akintunde (2012) dipakai untuk menyatakan hubungan antar variable. Akintunde menyatakan bahwa :
72
(1) If the correlation coefficient between a causal factor and the effect is almost equal to its direct effect, then correlation explains the true relationship. (2) If the correlation coefficient is positive, but the direct effect is negative or negligible, the indirect effects seem to be the cause of correlation. In such cases, the indirect causal factors are to be considered. (3) The correlation coefficient may be negative but the direct effect is positive and high. In these circumstances, away to selectively drop the undesirable indirect effects will have to be introduced. (Singh; Chaudhary, 1977) (4) The residual effect determines how best the causal factors account for variability of the dependent variable. If the residual accounts for a large portion of the variability in the dependent variable, it then means that other causal variables have to be brought into the study as those being considered are not the causal factors directly responsible for the effect. (5) A way to cross check / validate the result is to add the direct path coefficient of a particular causal factor to its indirect effects; the result should be equal to the correlation coefficient between that causal factor and the response variable. There may be some rounding errors and these should be apparent. If the correlation coefficient is not equal to the total indirect + direct path coefficient, double checking on the data and multiple regression coefficients. Secara garis besar teori Path Analysis dapat dilihat pada Lampiran 6 Path Analysis. 3.3.2. Uji Distribusi Normal Data S Burke (1997), D Blatna (2005), menyatakan bahwa outliers memainkan peranan
penting dalam regresi, ”Outliers in the response variable represent
model failure”. Salah satu cara yang paling mudah untuk menentukan data itu dalam kategori outliers atau tidak adalah dengan membuat kurva scatterplot X , Y. Sebelum teknis statistic parametris digunakan sebagai alat untuk menganalisa, maka dilakukan pengujian terhadap data yang akan dianalisa tersebut terdistribusi normal atau tidak. Apabila data yang akan dianalisa terbukti
73
tidak terdistribusi normal, maka metode statistic parametris tidak bisa dilakukan, maka digunakan statistic nonparametris (Sugiyono,2011). Suatu data dikatakan membentuk distribusi normal bila jumlah data di atas dan di bawah rata-rata adalah sama, demikian juga simpangan bakunya, lihat kurva Gambar 3.11. Untuk menguji normalitas data , maka digunakan metode Chi Kuadrad (χ2).
Pengujian
normalitas
data
dengan
(χ2)
dilakukan
dengan
cara
membandingkan kurva normal yang terbentuk dari data yang telah terkumpul (B) dengan kurve normal baku/standard (A). Jadi membandingkan antara (B:A). Bila B tidak berbeda
secara signifikan dengan A, maka B merupakan data yang
terdistribusi normal.
Gambar 3.11. Kurva distribusi Normal Langkah-langkah yang diperlukan dalam menilai data tersebut terdistribusi atau tidak adalah sebagai berikut 1. Menentukan jumlah klas interval. Untuk pengujian normalitas dengan Chi Kuadrat, jumlah klas interval ditentukan 6 (seperti pada Gambar 3.11) 2. Menentukan panjang klas interval Panjang klas interval=(data terbesar-data terkecil)/6 3. Membuat tabel distribusi frequensi seperti pada Tabel 8
74
Tabel 8. Distribusi frekuensi Interval
f0
fh
f0-fh
(f0-fh)2
(f0-fh)2/fh
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Jumlah
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
f0 = frequensi data fh=frequensi yang diharapkan (persentase luas tiap bidang dikalikan dengan n) f0-fh=selisih data f0 dengan fh 4. Menghitung fh (frequensi yang diharapkan), dengan cara fh1=2.7%*(7) fh2=13.53%*(7) fh3=34.13%*(7) fh4=34.13%*(7) fh5=13.53%*(7) fh6=2.7%*(7) 5. Hitung Chi Kuadrat, 2
f0
fh
fh
2
6. Harga Chi kuadrat perhitungan dibandingkan dengan harga Chi Kuadrat dari Tabel 21, bila harga Chi Kuadrat perhitungan lebih kecil daripada Chi Kuadrat Tabel maka data tersebut terdistribusi normal. Bila data terdistribusi normal maka kesimpulan yang diambil bisa bersifat general (generalisasi kesimpulan). Sedangkan untuk mengetahui hubungan antara dua atau lebih variabel digunakan R2 ( R-squared). Michael Wood (2012) menyatakan bahwa, “The value of R squared (the coefficient of determination) indicates how accurate the
75
prediction is likely to be, with an R squared value of 1 suggesting a completely accurate prediction, and a value of 0 (zero) suggesting that the model is of no help in predicting values of the dependent variable” Harga R-squared ini yang akan dipakai lebih lanjut untuk menganalisa keakurasian setiap hubungan antara dua varibel.
Tabel. 9. Tabel Chi Kuadrat
76
Bab 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Kecepatan aliran menuju Turbin Dyne [1980] menyatakan bahwa wake ataupun aliran slipstream sangatlah dipengaruhi oleh Thrust Loading propeller . Besarnya thrust loading propeller biasanya dinyatakan dengan Coefficient Thrust Loading (CT). Sedangkan besarnya kecepatan alirannya dinyatakan dalam persamaan (2.24) dan (2.25). Sedangkan Coefficient Thrust Loading propeller didefinisikan sebagai,
CT
T …………………………………………………(4.1) 1 D2 2 VA 2 4
Dalam menganilisa wake propeller, coefficient thrust loading (CT) propeller haruslah diketahui terlebih dahulu. Harga coefficient thrust loading yang dihasilkan oleh propeller untuk masing-masing obyek penelitian telah dirangkum dalam Tabel 10. Secara grafis, besarnya Coefficient Thrust Loading pada masing-masing design speed (kecepatan dinas kapal) dapat dilihat pada Gambar 4.1 (a s/d e). Pada Gambar grafis tersebut terlihat bahwa untuk kapal single screw (propeller tunggal), coefficient thrust loading rata-rata akan mengecil menuju
design speed (kecepatan dinas kapal). Sedangkan untuk kapal Twin
screw, coefficient thrust loading rata-rata akan bertambah besar bila menuju design speed (kecepatan dinas kapal). Dari Gambar 4.1 terlihat ada hubungan antara kecepatan aliran yang masuk propeller disc (VA) dengan Coefficient Thrust Loading (CT), -
untuk kapal single screw, advance velocity (aliran air yang menuju propeller disc) akan cenderung turun seiring dengan kenaikan harga CT
-
untuk kapal twin screw, advance velocity (aliran air yang menuju propeller disc) akan cenderung naik seiring dengan kenaikan harga C T.
77
Tabel.10. Parameter design turbin Kapal Tanker OHBC Pax200 Container Cruise Liner Pax 1000 Gen.Cargo Cement Barge KPC KCRS Container 2 Ropax LCT RescueVessel Coal Barge Tanker 2 LNG Kpl Research MARIN 16 Tanker VMB General Cargo Accept 1 Accept 3 Accept 4 BC 2
w
VA(m/s)
CT
n(Hz)
Ui (m/s)
0.455 0.255 0.235 0.216 0.401 0.221 0.249 0.233 0.164 0.164 0.277 0.133 0.189 0.095 0.256 0.343 0.143 0.390 0.257 0.500 0.145 0.332 0.303 0.120 0.315
3.644524 5.556806 4.722192 6.654278 5.546261 7.212917 5.022087 3.550903 11.181 12.04108 7.066313 7.300365 6.674854 10.2417 3.061709 4.731451 8.596396 3.765408 7.452884 3.3436 7.916616 5.678 5.576 6.6 4.933096
3.763953 1.298898 3.645248 1.627116 3.312763 3.05292 1.658468 3.168413 1.342859 1.317402 1.307943 1.682722 3.820469 1.169801 5.092244 1.910537 1.545743 4.054097 1.203435 3.843728 0.906804 1.689558 0.922442 0.923695 1.866899
1.998333 1.498333 6.496667 1.331667 2.498333 6.663333 2.5 3.973333 19.29167 19.29167 1.896667 3.96 4.931667 10.77667 5.306667 1.51 3.331667 6.876667 1.288333 1.331667 2.12 1.73 1.758333 1.951667 1.583333
2.155095 1.434244 2.727736 2.065615 2.985883 3.654015 1.583165 1.849433 2.966542 3.144537 1.834385 2.328458 3.990083 2.422288 2.247673 1.670272 2.559743 2.349863 1.805078 2.007576 1.507603 1.816924 1.077622 1.277011 1.709791
78
Gambar 4.1a. CT pada operasional kecepatan kapal ( Tanker single screw).
Gambar 4.1b. CT pada operasional kecepatan kapal ( Bulk Carrier single screw).
79
Gambar 4.1c. CT pada operasional kecepatan kapal (Container single screw).
Gambar 4.1d. CT pada operasional kecepatan kapal ( Pax 200 twin screw).
80
Gambar 4.1e. CT pada operasional kecepatan kapal ( Cruise Liner twin screw). Kecepatan aliran (US) yang menuju turbin, menurut Holtrop (persamaan 3.2) dengan aplikasi teori Guilloton, didapatkan sebesar, US = VA + Ui .......................................................................................(4.2) Dari persamaan 4.2 di atas, hubungan antara kecepatan aliran air yang masuk ke propeller disc (VA) dan kecepatan aliran propeller slipstream dapat dipresentasikan seperti pada Gambar 4.2.
81
Gambar 4.2a. Kecepatan aliran terhadap CT pada Kapal Tanker (single screw)
Gambar 4.2b. Kecepatan aliran terhadap CT pada Kapal Bulk Carrier (single screw)
82
Gambar 4.2c. Kecepatan aliran terhadap CT pada Kapal KCRS (twin screw)
Gambar 4.2d. Kecepatan aliran terhadap CT pada Kapal KPC (twin screw)
83
Besarnya aliran slipstream di belakang propeller telah dirangkum dalam Tabel 10. Pada Gambar 4.3 terlihat bahwa adanya peningkatan aliran di propeller slipstream, yang lebih dikenal sebagai propeller wake wash.
Gambar 4.3. Advanced dan Slipstream velocity pada 14 buah obyek penelitian. 4.2. Perhitungan performance Vane turbin dengan teori Actuator Disc Berdasar pada metode Actuator Disc, performance turbin dihitung dan hasilnya dirangkum dalam Tabel 11. Turbin di belakang propeller akan mempengaruhi kinerja/performance kapal dalam bentuk kehilangan kecepatan (speed loss). Speed loss dikarenakan adanya negatif thrust yang dihasilkan oleh turbin, tetapi disisi lain turbin akan menghasilkan energi/power (mengubah energi kinetic aliran slipstream menjadi energi gerak/mekanis (untuk membangkitkan listrik)). Penurunan kecepatan dan energi listrik yang bisa dibangkitkan oleh turbin pada beberapa buah kapal yang dipakai sebagai obyek penelitian dirangkum pada Tabel 12 dan 13 serta pada Gambar 4.3
84
Pada salah satu kasus (kapal Tanker) yang dipakai sebagai bahan analisis untuk menentukan keuntungan ataupun kerugian yang didapatkan dengan adanya aplikasi turbin di belakang propeller. Pada Gambar 4.4, terlihat diagram/kurva Daya Poros Kapal (SHP) dan Thrust sebagai fungsi kecepatan kapal. Pada kecepatan dinasnya terlihat bahwa kapal Tanker tersebut membutuhkan daya sebesar 3192 kW.
Turbin yang terpasang di belakang propeller akan
menghasilkan daya sebesar 558.331 kW dan negatif Thrust sebesar 39.85 kW (Tabel 12a). Sebagai akibatnya, kapal akan mengalami penurunan kecepatan (adanya speed loss) sebesar 0.603501 knots (kapal akan bergerak dengan kecepatan 12.3965 knots). Dari hasil tersebut dapat dikatakan seolah-olah ada daya mesin yang hilang sebesar 454.173 kW pada actual speed (12.3965 knots). Tetapi pada saat yang sama turbin menghasilkan daya sebesar 558.331 kW. Dengan demikian ada selisih Power sebesar 104.158 kW, ini merupakan benefit (retrofit) yang didapatkan dari pemasangan turbin di belakang propeller. Besarnya retrofit tersebut bisa diganti dengan istilah Effisiensi Gain yang didefinisikan sebagai,
PG EG *100% ............................................................................(4.3) PS Sehingga besarnya Retrofit yang didapatkan, EG=(104.158/3192)*100% = 3.263 % Proses perhitungan yang sama juga dilakukan untuk kapal lainnya. Dari data kapal yang dipakai sebagai obyek penelitian, baik single screw maupun twin screw (di Gambar berturut-turut dinyatakan dengan angka 1 dan 2), tidak semua kapal mendapatkan EG bernilai positif (pemasangan turbin mendapatkan retrofit) seperti yang dipresentasikan pada Gambar 4.5a dan 4.5b. Pada Gambar 4.4 dan 4.5 terlihat bahwa kapal single screw rata-rata mendapatkan harga EG bernilai positif, hal ini berarti bahwa dengan adanya turbin di belakang propeller maka sistem bersifat benefitial (menguntungkan), tetapi tidak untuk kapal twin screw. Pada kapal twin screw rata-rata EG bernilai negatif, artinya dengan adanya turbin, energi yang didapatkan oleh turbin tidak seimbang dengan
85
kehilangan energi (speed loss). Pada Gambar 4.4 terlihat bahwa kapal-kapal single screw dengan CT antara 1 s/d 2 lebih benefitial daripada kapal single screw dengan CT sekitar 4. Pada aplikasi propelller vane turbin, persamaan (3.2) (teori Guilloton) yang digunakan untuk menghitung besarnya induced velocity propeller bisa digantikan dengan persamaan (4.4) . Persamaan (4.4), didapatkan dari “regresi pangkat” yang terdapat dalam aplikasi software EXCELL dengan menggunakan data perhitungan propeller-turbin untuk 15 buah obyek penelitian seperti tertera pada Tabel 12. Ui pada persamaan (4.4) merupakan fungsi dari Coefficient Thrust Loading (CT) yang didapatkan dari fungsi Korelasi dari (Gambar 4.6a), U i 0.2116* Va * CT
0.7754
…………………………………………….(4.4)
Gambar 4.4. Kurva speed loss Kapal Tanker 17500 DWT
86
Tabel 11. Hasil Perhitungan Performance Turbin Kapal Tanker OHBC Pax200 Container Cruise Liner Pax 1000 Gen.Cargo Cement B KPC KCRS Palwo B Ropax LCT Rsc Vessel Coal Barge Tanker 2 LNG Kapal R MARIN 16 Tanker VMB General C Accept 1 Accept 3 Accept 4 HSVA MARIN 24927 BC 31000 Fishing Vessel Roro Fery
VA (m/s)
Ui (m/s)
VET (m/s)
CP
PT ( kWatt)
Tt (kN)
3.6445 5.5568 4.7221 6.6542 5.5462 7.2129 5.0220 3.5509 11.1810 12.0410 7.0663 7.3003 6.6748 10.2410 3.0617 3.9248 8.5963 3.7654 7.4528
2.1551 1.4342 2.7277 2.0656 2.9858 3.6540 1.5831 1.8494 2.9665 3.1445 1.8343 2.3284 3.9901 2.4223 2.2477 1.9265 2.5597 2.3498 1.8051
4.7221 6.2740 6.0861 7.6871 7.0392 9.0399 5.8137 4.4756 12.6642 13.6133 7.9835 8.4646 8.6698 11.4528 4.1856 4.8881 9.8763 4.9404 8.3554
0.1858 0.1026 0.1831 0.1184 0.1750 0.1681 0.1198 0.1712 0.1048 0.1035 0.1030 0.1209 0.1871 0.0956 0.2117 0.1646 0.1147 0.1921 0.0975
0.4927 0.3304 0.4888 0.3682 0.4764 0.4654 0.3714 0.4704 0.3360 0.3328 0.3316 0.3738 0.4945 0.3129 0.5262 0.4595 0.3596 0.5016 0.3176
558.3310 1282.4700 86.8710 2670.5400 723.6030 418.7600 343.3640 85.9020 585.3390 634.0420 2182.4500 499.3490 599.3030 2211.7000 20.1730 1079.9800 7973.6300 47.6900 6169.0100
39.8550 55.0470 8.7090 113.0080 58.4570 24.7830 19.5170 10.5580 12.8030 12.6940 74.0520 19.7290 43.6360 47.5510 3.7230 66.7500 174.6000 6.3590 136.9000
3.8437 7.9166 5.6780 5.5760 6.6000 4.9330
2.0076 1.5076 1.8169 1.0776 1.2770 1.7098
4.8472 8.6704 6.5865 6.1148 7.2386 5.7878
0.1716 0.0780 0.1212 0.0810 0.0811 0.1287
0.4710 0.2708 0.3744 0.2736 0.2738 0.3908
701.8440 830.6090 2597.7300 765.7700 697.7360 1294.6200
45.4100 18.8900 89.8100 19.4600 14.9900 53.8600
8.6604 4.6522
1.7969 2.2288
9.5589 5.7667
0.0859 0.16120
0.2871 0.4550
10464.0000 1138.8500
180.0000 58.7800
2.6011 8.1018
1.6275 2.4157
3.4149 9.3093
0.1924 0.1148
0.5020 0.3600
15.2700 3261.3500
1.5550 75.8400
a
87
Tabel. 12a. Pengaruh positif akibat pemasangan turbin di propeller slipstream untuk kapal single screw No 1 2 3 4 5 6 7 8
Vs (knots) TPT (kN) Act. Speed (knots) Speed loss (knots) Act.Eng. power (kW) Total Power (kW) Power gained (kW) Eff .(%)
Tanker
OHBC
13 366.1450 12.3965 0.6035 2737.8260 3296.1580 104.1577 3.2631
14.5 699.6533 14.0205 0.4795 6111.5850 7394.0580 567.0548 8.3000
Container 16.5 1307.2910 15.7705 0.7295 14879.6300 17550.1700 674.1689 3.9948
G.Cargo
13 223.4825 12.6304 0.3697 1861.8600 2205.2250 111.2250 5.3116
Tabel. 12.b. Pengaruh positif akibat pemasangan turbin di propeller slipstream untuk kapal single screw. No 1 2 3 4 5 6 7 8
Vs (knots) TPT (kN) Act. Speed (knots) Speed loss (knots) Act.Eng. power (kW) Total Power (kW) Power gained (kW) Eff .(%)
PB (Container) 19 1017.0620 19.0397 0.4603 11811.0600 13993.5200 812.5229 6.16435
Ropax
16 224.1707 15.4992 0.5008 2503.5420 3002.8910 181.8915 6.4478
Rescue vessel
22 387.8490 21.3066 0.6934 8075.9700 10287.6700 784.6738 8.2570
Tabel.13.a. Pengaruh negatif pemasangan turbin di propeller slipstream untuk kapal twin screw No 1 2 3 4 5 6 7 8
Pax 200
Vs (knots) TPT (kN) Act. Speed (knots) Speed loss (knots) Act.Eng. power (kW) Total Power (kW) Power gained (kW) Eff .(%)
12 78.3914 11.6798 0.3202 640.0287 726.9001 -11.0999 -1.5041
Cruise Liner
18 493.5972 16.832 1.1681 4473.3230 5125.7010 -680.2990 -13.1129
Pax 1000
18 230.8169 17.4776 0.5224 2847.2960 3266.0560 -15.9437 -0.4857
Cement Barge
9 206.7416 8.8667 0.1333 1468.0160 1553.9180 -18.0824 -1.1503
Tabel.13b. Pengaruh negatif pemasangan turbin di propeller slipstream untuk kapal twin screw No 1 2 3 4 5 6 7 8
Vs (knots) TPT (kN) Act. Speed (knots) Speed loss (knots) Act.Eng. power (kW) Total Power (kW) Power gained (kW) Eff .(%)
KPC
26 332.9969 24.8414 1.1586 17053.6500 17638.9900 -542.0090 -2.9812
KCRS 28 256.3061 26.5858 1.4142 6023.7910 6657.8330 -19.1667 -0.2871
88
LST
16 384.3643 15.4635 0.5365 4684.6400 5283.9440 -158.0560 -2.9044
Gambar 4.5a . Penghematan Daya pada pemakaian propeller turbin untuk beberapa tipe kapal sebagai fungsi Thrust loading (CT)
Gambar 4.5b. Penghematan Daya pada pemakaian propeller turbin untuk beberapa tipe kapal sebagai fungsi ratio self induced velocityadvance velocity.
89
Tabel.14. Nilai CT, ratio Ui /Va serta EG pada 15 obyek penelitian CT 3.7640 1.2990 3.6453 1.6271 3.3128 3.0529 1.6585 3.1684 1.3429 1.3174 1.3079 1.6827 3.8205 1.1698 5.0922
Ui/Va
Eff.gained
0.5913 0.2581 0.5776 0.3104 0.5384 0.5066 0.3152 0.5208 0.2653 0.2611 0.2596 0.3200 0.5978 0.2365 0.7341
3.2631 8.3000 -2.5093 3.9948 -2.4545 -0.3207 5.3116 -2.3006 -5.6815 0.6646 6.1644 13.2563 -5.2080 18.0828 -5.7064
Gambar 4.6. Hubungan antara CT terhadap Induced velocity propeller
90
4.3. Analisa Lanjut Perhitungan performance Vane turbin Dikarenakan Turbin bekerja di belakang propeller maka terjadi interaksi antara keduanya. Hal ini telah dikaji oleh Molland dan Turnock (1994). Dengan memakai persamaan (2.83) dan (2.84) berturut-turut untuk menghitung kecepatan axial dan tangential aliran di belakang propeller. Bila diasumsikan nilai x/D=1, nilai KR pada persamaan (2.86), KR = 1 + 1/(1+0.15/(x/D)) =1.869565 maka, VAR = VA(1+1.869565*a) …………………………………….….......(4.5) VTR =1.869565*a’Ωr …………………………………………....…...(4.6) VAR adalah kecepatan axial aliran slipstream yang menuju turbin, sedangkan VTR adalah kecepatan tangential aliran slipstream yang menuju turbin. Blaurock (1983) menyatakan bahwa “The inflow velocity to the turbine profiles of the Wheel (Gambar 3.5c), is the combination of axial inflow velocity to the propeller and the induced velocities of the propeller (U A and UT) plus the speed of rotation of the Wheel”, sehingga didapatkan inflow velocity pada turbin sebesar (sesuai Gambar 4.4), U1
V
A
(1to2 * U A ) U AT ( L r ) U TT ( 2U T ) 2
2
..……….….(4.7)
Seperti telah diutarakan di atas, disamping metode Guilloton, penggunaan teori Garis Angkat (Lifting Line) untuk mendapatkan axial dan tangential induced velocity dilakukan dan dapat dilihat pada Gambar 4.7 .
91
Gambar.4.7a. Ratio Radial Axial induced velocity terhadap Advance velocity kapal Tanker 17500 DWT
Gambar.4.7b. Ratio Radial Tangential induced velocity terhadap Advance velocity kapal Tanker 17500 DWT
92
Gambar.4.7c. Ratio Radial Axial dan Tangential induced velocity terhadap Advance velocity kapal Tanker 17500 DWT Komparasi hasil penggunaan teori Guilloton dan penggunaan Teori Garis Angkat (Blaurock) dilakukan untuk menentukan konsistensi hasil perhitungan. Untuk kebutuhan tersebut diambil contoh kapal Tanker 17500. Untuk Kapal Tanker besarnya US adalah 5.799619 m/s . Menurut Blaurock (1983) seperti bodi diagram yang diskemakan pada Gambar 3.9, maka besarnya aliran yang masuk/mengarah ke turbin sebesar : U S V A (1to2) * U A …………………..…………………………. (4.8)
Axial self induced velocity propeller dihitung dengan teori Garis Angkat seperti dibahas di Lampiran Perhitungan Propeller didapat harga U A sebesar 1.75289 m/s (untuk kapal Tanker dapat dilihat pada Gambar 4.5 dan 4.6.) Menurut persamaan (5.1),
5.397414.......... ..h arg a. pengali.U A 1 US 7.150304.......... .h arg a. pengali.U A 2 Dengan demikian harga kecepatan aliran axial yang menuju turbin dari kedua metode tersebut menunjukkan konsistensi hasil.
93
Disamping mengikuti alur perhitungan seperti diutarakan pada Sub Bab 3.2.2, dalam perancangan turbin, penentuan awal yang harus dilakukan adalah memilih harga Gamma dan c (panjang chord). Sedangkan proses iterasi perhitungannya adalah sebagai berikut : 1. Ditentukan nilai a dan a’ 2. Dihitung nilai λr dan β 3. Dihitung harga CL dan CD sesuai dengan sudut serangnya. 4. Pengulangan
perhitungan a dan a’ sampai nilai konvergensi
didapatkan Panjang chord turbin dapat dilihat pada Tabel 15 untuk masing masing harga r/R. Tabel. 15 . Panjang potongan seksi daun turbin ke arah radial r/R 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
c 0.7107 0.5552 0.4413 0.3596 0.3020 0.2615 0.2326 0.2108 0.1930
Sudut puntir (Twist) daun Turbin secara radial dirancang sesuai dengan Gambar 4.8.
Gambar 4.8 . Sudut puntir (Twist) daun Turbin
94
Proses perhitungan Turbin secara lebih lengkap bisa dilihat pada Lampiran 7 Perhitungan Propeller Turbin.
Gambar 4.9 Lift Coefficient NACA 0012 Untuk mengetahui pengaruh jumlah daun terhadap performance turbin, dengan menggunakan program Excell seperti pada Lampiran 7, dihasilkan tabulasi data hubungan antara jumlah daun terhadap nilai Cp, a dan a’ seperti pada Tabel 16. Hasil perhitungan tersebut juga dipresentasikan dalam bentuk grafik seperti terlihat pada Gambar 4.10 dan 4.11. Tabel. 16. Pengaruh jumlah daun pada Cp dan koefisien faktor induksi n 3 4 5 6
Cp 0.3433 0.2704 0.1742 0.1179
a 0.3771 0.5077 0.6314 0.6978
95
10*a' 0.2020 0.2220 0.2510 0.2830
Gambar. 4.10. Pengaruh jumlah daun pada Cp dan faktor induksi.
Gambar 4.11. Optimasi diameter turbin terhadap Cp Dari Gambar 4.11 diatas, untuk mendapatkan harga Cp yang lebih baik, maka diamater turbin bisa diperbesar menjadi 3.94 m, yang sebelumnya diameter turbin sebesar 3.865 m ( masih lebih kecil daripada radius propeller di depannya, 4.5 m) Pada diameter tersebut, harga koefisien induksi faktornya adalah
96
a
= 0.3699
a’
= 0.0199
Dengan diketahuinya harga Power coefficient turbin, maka besarnya daya/power yang dihasilkan oleh turbin (pada kapal Tanker) sebesar ,
P
1 R 2V 3 kW 2
= 389 kW 4.4. Pengaruh main dimension ratio kapal terhadap Efficiency Gain Propeller-Turbin Seperti diutarakan pada Sub Bab 3.3.1, untuk menguji seberapa besar effektivitas aplikasi vane turbine di propeller slipstream yang difungsikan untuk mereduksi energy
losses pada saat propeller bekerja, dilakukan dengan
menggunakan metode Path Analysis. Dengan teori ini diharapkan mampu mencari koefisien-koefisien korelasi antar variabel, baik itu korelasi langsung maupun tak langsung. Ada dua macam variabel yang akan dianalisa, yaitu variabel endogen (yang dituju) dan eksogen (yang mempengaruhi). Pendefinisian kedua variabel tersebut adalah sebagai berikut, 1. Efficency Gain (EG) dianggap sebagai variabel yang dituju (Y) 2. w (wake fraction), Coefficient Thrust Loading (C T), L/B, B/T dianggapa sebagai variable eksogen (yang mempengaruhi). Dalam perhitungan dengan bantuan program statistik Path Analysis yang terdapat di spreadsheet EXCELL, maka w dianggap sebagai X1, C T sebagai X2, L/B sebagai X3 dan B/T sebagai X4. Variavel-variabel eksogen dibuat menjadi konstanta yang nondimensional. Ukuran utama kapal L (panjang), B (lebar) dan T (sarat) merupakan ukuran utama kapal tang sangat mempengaruhi performance kapal. Persamaan Path Analysis untuk keempat variabel eksogen tersebut dapat ditulis , p 01 X 1 p 02 X 2 p 03 X 3 p 04 X 4 U Y ............................................(4.9)
97
Dari 15 data kapal pertama yang telah dianalisa keuntungan dan kerugian yang didapatkan dengan aplikasi vane turbine di propeller slipstream seperti ditunjukkan pada Gambar 3.9 dan Gambar 3.10, maka untuk kebutuhan analisa statistik diambil langkah sebagai berikut, 1. Data yang dipakai adalah data yang EG bernilai positif (ada 6 buah) 2. Data EG dengan nilai negatif tidak diperhitungkan 3. Ada dua data yang dianggap sebagai outliers Dengan demikian asumsi awal untuk path diagram pertama adalah seperti pada Gambar 4.12,
Gambar 4.12. Path Diagram variabel eksogen terhadap EG Seperti yang digambarkan Diagram Alir untuk proses Path Analisis pada Gambar 4.8, maka berturut-turut hasilnya tertera pada Tabel 17 s/d Tabel 21 (merupakan out put statistik dari Microsoft EXCELL). Tabel 17. Variabel pada Path Analysis propeller-turbin Eff Gain Y 3.2630 8.3000 3.9950 5.3120 6.1640 6.6800
w X1 0.4550 0.2550 0.2160 0.2490 0.2770 0.1430
CT X2 3.7639 1.2989 1.6271 1.6585 1.3079 1.5460
Vi/Va X3 0.5913 0.2581 0.3104 0.3152 0.2596 0.2978
98
L/B X4 5.5090 5.9750 6.4570 5.8000 6.1040 6.5260
B/T X5 3.9570 2.7730 4.1630 2.6670 2.8350 4.1691
Tabel.18. Perhitungan Statistik dasar ( rata-rata dan standard deviasi) Eff Gain
w
CT
L/B
B/T
Y
X1
X2
X3
X4
3.2630
0.4550
3.7639
5.5090
3.9570
8.3000
0.2550
1.2989
5.9750
2.7730
3.9950
0.2160
1.6271
6.4570
4.1630
5.3120
0.2490
1.6585
5.8000
2.6670
6.1640
0.2770
1.3079
6.1040
2.8350
6.6800
0.1430
1.5460
6.5260
4.1691
Mean
5.6109
0.2658
1.8671
6.0618
3.4273
StD
1.8380
0.1038
0.9421
0.3886
0.7388
Tabel 19. Matriks korelasi Y Y
X1
X2
X3
X4
1
-0.5376
-0.7142
0.2866
-0.5154
X1
-0.5376
1
0.8459
-0.8699
-0.0373
X2
-0.7142
0.8459
1
-0.6622
0.4171
X3
0.2867
-0.8699
-0.6622
1
0.3992
X4
-0.5154
-0.0373
0.4171
0.3992
1
Tabel.20. Koefisien Regresi Parsial Intercept
0
X1
-0.3040
X2
-0.9017
X3
-0.6124
X4
0.0939
99
Tabel.21. Koefisien Jalur langsung dan Tak Langsung Direct Path Coeff.of X1 on Y Indirect effect of X1 via X1 on Y Indirect effect of X1 via X2 on Y Indirect effect of X1 via X3 on Y Indirect effect of X1 via X4 on Y Total indirect effects
=
Direct Path Coeff.of X2 on Y Indirect effect of X2 via X1 on Y Indirect effect of X2 via X2 on Y Indirect effect of X2 via X3 on Y Indirect effect of X2 via X4 on Y Total indirect effects
=
=
Direct Path Coeff.of X3 on Y Indirect effect of X3 via X1 on Y Indirect effect of X3 via X2 on Y Indirect effect of X3 via X3 on Y Indirect effect of X3 via X4 on Y Total indirect effects
= = = = 0.1875 =
=
Direct Path Coeff.of X4 on Y Indirect effect of X4 via X1 on Y Indirect effect of X4 via X2 on Y Indirect effect of X4 via X3 on Y Indirect effect of X4 via X4 on Y Total indirect effects
= = = = = -0.2336
= = = = 0.8990 =
=
= = = -0.6093
-0.3040 -0.3040 -0.7628 0.5327 -0.0035 -0.9017 -0.2572 -0.9017 0.4055 0.0392 -0.6124 0.2644 0.5971 -0.6124 0.0375 0.0939 0.0113 -0.3761 -0.2445 0.0939
Dengan berpedoman pada kriteria Akintunde, maka secara tidak langsung L/B mempengaruhi EG melalui CT seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.13
Gambar 4.13. Diagram Jalur pengaruh Koefisien kapal terhadap EG
100
4.5. Distribusi Normal Data Dengan aplikasi turbin di slipstream propeller pada 29 buah kapal dengan berbagai ukuran, tipe dan jumlah propeller seperti yang tertera pada Tabel 3 , didapatkan grafik scatter seperti yang dipresentasikan pada Gambar 4.14 dan Gambar 4.15. Pada Gambar 4.14, angka 1 dan 2 menunjukkan jumlah propeller yang ada pada kapal (single atau twin screw ship)
Gambar 4.14. Eff.Gain propeller-vane turbin pada obyek penelitian.
Gambar 4.15. Diagram Pengaruh Jumlah propeller terhadap Effisiensi Gain
101
.
Gambar 4.16. Pengaruh Ratio Tt dan Tp terhadap Efficiency Gain
Gambar 4.17. Pengaruh Ratio Pt dan Ps terhadap Effisiensi Gain . Pada Gambar 4.16 dan Gambar 4.17 terlihat ratio antara thrust turbin terhadap thrust propeller dan ratio power antara turbin dan propeller untuk masing-masing obyek penelitian. Dalam analisis statistik seperti diutarakan di bab sebelumnya, data yang diambil untuk bisa mendapatkan hasil kesimpulan yang bersifat general adalah data terdistribusi normal (Sugiyono, 2011). Dengan demikian data (obyek penelitian) seperti yang tergambarkan pada Gambar 4.10 tidak semuanya dipakai. Pada Tabel 22, terdapat 20 buah kapal yang diambil/terpilih untuk mendapatkan nilai EG terdistribusi normal.
102
Bila Chi Kuadrat dari hasil perhitungan (Tabel 23), lebih kecil daripada yang tertera pada Tabel 9 maka data terdistribusi normal. Dari Tabel 19 harga Chi kuadrat (6.6122) lebih kecil daripada harga yang tertera pada Tabel 9 (12.592) dengan derajad kebebasan 6 (dk=7-1) dan kesalahan yang ditetapkan adalah 5%. Dengan demikian data yang diambil merupakan data yang terdistribusi normal seperti pada Gambar 4.18.
Tabel.22. Data kapal terpilih untuk membentuk distrbusi normal No.
Ships
TpT
Act.Speed
Speed Loss
Act.Eng.P
Total P
Eff.Gain
kN
knots
knots
kW
kW
%
1
Tanker 1
367.4450
12.4180
0.5820
2752.1810
3310.5130
3.7130
2
Bulk Carrier 1
699.6530
14.0210
0.4790
6111.5850
7394.0550
8.3060
3
Pax 200
69.6830
11.3180
0.6820
545.7380
719.4810
-2.5090
4
Container 1
1307.2910
15.7710
0.7290
14879.6320
17550.1720
3.9950
5
Cruise Liner
475.0870
16.5850
1.4140
4231.4510
5678.6620
-2.4550
6
Pax 1000 GT
206.0340
16.8180
1.1820
2433.9560
3271.4760
-0.3210
7
General Cargo 1
223.4830
12.6310
0.3690
186.8620
2205.2250
5.3120
8
Cement Barge
196.1830
8.7330
0.2670
1364.0320
1535.8350
-2.3010
9
KCRS
243.6120
25.4010
2.5990
5453.2910
6721.3750
0.6650
1017.0620
19.0390
0.4610
1181.0620
13993.5210
6.1640
665.6210
13.5050
0.49450
5119.9780
6041.0440
3.9770
LST
340.7290
14.8850
1.1150
3959.9710
5185.5780
-5.2080
LNG
2077.1810
18.7090
0.7910
38104.8200
46078.4620
7.1270
General Cargo 2
444.1080
17.8590
0.1410
5077.91800
5908.5270
10.3980
15
Bulk Carrier 2
852.4630
15.1680
0.3840
7567.9210
9581.2890
8.3410
16
Bulk Carrier 3
604.1340
13.4810
0.5190
4313.0120
5607.6370
15.1150
17
General Cargo 3
236.20160
14.2380
0.3430
2347.5840
2924.5440
14.5530
18
Tanker 3
386.7860
12.7330
0.2670
2885.5870
3587.4310
14.4310
19
Bulk Carrier4
563.2780
13.4710
0.5290
4407.9080
5413.2640
7.4920
20
Fishing Vessel 1
16.0450
9.2640
0.2370
112.8690
128.1430
0.1090
10
Container 2
11
Tanker 2
12 13 14
103
Tabel 23. Perhitungan Chi Kuadrat obyek terpilih (20 kapal)
Gambar 4.18. Kurva distribusi normal pada obyek penelitian terpilih 4.6. Pengaruh Ratio antara Thrust dan Power dari Turbin dan Propeller terhadap Efficiency Gain Untuk mencari kesimpulan yang bersifat umum terhadap aplikasi vane turbine di propeller slipstream, dari obyek penelitian yang terpilih (20 buah) dibuat diagram ratio antara thrust turbin terhadap thrust propeller dan antara power turbin terhadap power propeller. Seperti terlihat pada Tabel 24 dan pada Gambar 4.16 dan Gambar 4.17. Dari Tabel 24 terlihat bahwa pemasangan vane turbine untuk kapal twin screw (berbaling-baling ganda) Effisiensi Gain cenderung bernilai negative (merugikan). Masih pada Tabel yang sama, pemasangan vane turbine pada kapal berbaling-baling tunggal (single screw) Effisiensi Gain cenderung bernilai positif. Sedangkan ratio antara Thrust dan power turbin dengan propeller dapat dipresentasikan pada Gambar 4.16 dan Gambar 4.17. Bila dilihat pada Gambar 4.16, terlihat bahwa effisiensi gain akan selalu bernilai positif pada ratio thrust antara turbin dan propeller tidak lebih dari 10 %.
104
Tabel.24. Thrust power ratio dan Effisiensi Gain pada obyek penelian No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Ships Tanker 17500 Bulk Carrier 1 Pax 200 Container 1 Cruise Liner Pax 1000 GT General Cargo 1 Cement Barge KCRS Container 2 Tanker 30000 LST LNG General Cargo 2 Bulk Carrier 2 Bulk Carrier 3 General Cargo 3 Tanker BC 31000 DWT Fishing Vessel
NS 1 1 2 1 2 2 1 2 2 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1
Pt/Ps (1) % 17.4916 18.7853 23.5424 15.8244 24.9261 25.5186 16.3975 10.9289 18.9918 18.6647 15.8531 22.0251 18.5377 15.5196 23.9004 27.3339 22.5993 22.3874 19.9636 11.9304
Tt/Tp (2) % 9.8165 7.2939 19.9967 7.9567 19.7489 19.3921 8.0319 9.7178 9.4688 7.3319 8.4428 20.3905 7.7546 4.0805 7.7421 8.4197 5.8958 11.1858 8.707 8.838
Ratio(1)/(2) 1.7819 2.5755 1.1773 1.9888 1.2622 1.3159 2.0416 1.1246 2.0057 2.5457 1.8777 1.0802 2.3905 3.8034 3.0871 3.2464 3.8331 2.0014 2.2928 1.3499
Eff.Gain % 3.7128 8.3061 -2.5093 3.9948 -2.4545 -0.3207 5.3116 -2.3001 0.6646 6.1643 3.9767 -5.2088 7.1268 10.3985 8.3402 15.5514 14.5532 4.6860 7.4924 0.1096
Gambar 4.19. Diagram efficiency Gain dan ratio Thrust turbin terhadap Thrust Propeller
105
Gambar 4.20. Diagram efficiency Gain dan ratio Power turbin terhadap Power propeller.
Gambar 4.21. Effisiensi Gain terhadap ratio Thrust dan Power antara Turbin dan Propeller.
106
Bila diambil dalam suatu batasan ratio antara Thrust turbin dan propeller, effisiensi gain akan bernilai seperti di bawah ini, positif ,......... .......... ........ bila(Tt / T p ) 9.1% EG positif (negatif ),........ ....bila,9.1% (Tt / T p ) 14.7% negatif ,......... .......... .......bila(Tt / T p ) 14.1%
Dari Tabel 24, besaran ratio antara power dan thrust yang dihasilkan oleh turbin terhadap propeller, (Pt/Ps)/(Tt/Ts), akan sangat menentukan effektifitas aplikasi vane turbin di belakang propeller. Dengan melihat nilai korelasi R 2 ( di atas 90%) yang didapatkan dari nilai regresi
y 13.51ln( x) 4.922 ...................................................................... (4.10) maka hubungan antara ratio Power turbin-propeller dengan Thrust turbinpropeller atau (Pt/Ps)/(Tt/Ts) adalah sangat kuat (Gambar 4.22).
Dengan
demikian nilai tersebut dapat dipakai untuk menjustifikasi apakah vane turbin bisa dipasang di belakang propeller atau tidak.
Gambar 4.22. Hubungan antara Efficiency Gain dengan Ratio (Pt/Ps)/(Tt/Ts)
107
HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN
108
Bab 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Umum Dalam pengembangan Energi Saving Devices, hal yang sangat diperhatikan adalah penekanan terhadap recovery energy axial dan rotasional. Salah satunya adalah Grim Vane Wheel. Aplikasi GVW mengklaim adanya peningkatan efisiensi sebesar 5-10 % . Hal ini terjadi karena adanya peningkatan thrust akibat bentuk bagian luar GVW seperti bentuk propeller. Dari hasil aplikasi GVW
pada
beberapa
kapal,
ditemukan
bahwa
disamping
hal
yang
menguntungkan juga terdapat hal-hal yang masih perlu diperhatikan, diantaranya adalah masalah vibrasi dan kekuatan struktur GVW. Penelitian yang dilakukan sekarang dimaksudkan untuk mereduksi permasalahan yang muncul dari sistem GVW. Energi kinetik aliran slipstream tidak dipakai sebagai sumber energi untuk mendapatkan gaya dorong tambahan, tetapi lebih dititik beratkan pada recovery energi hilang, yaitu dengan memasang turbin di belakang propeller. Diameter turbin didesain lebih kecil daripada diameter propeller sehingga interferensi antara propeller dengan turbin bisa diminimalkan. Posisi turbin ditempatkan di depan kemudi sehinggga jarak antara keduanya sangat terbatas. 5.2. Kesimpulan 5.2.1. Aliran slipstream/ulekan di belakang propeller Kecepatan aliran (US) yang menuju turbin, dengan aplikasi teori Guilloton, didapatkan sebesar, US = VA + Ui dimana VA adalah adalah adavance velocity dan Ui adalah self induced velocity daun propeller. Besarnya self induced velocity akan sangat dipengaruhi oleh besarnya koefisien thrust loading propeller. Dikarenakan aliran ulekan di belakang propeller merupakan aliran yang sangat kompleks (rumit) maka penggunaan rumus di atas sangatlah membantu dalam proses design ataupun evaluasi pada perancangan propeller-vane turbin. Rumus di atas sangatlah berkesesuaian (ada
109
konsistensi hasil) dengan hasil perhitungan yang telah dilakukan oleh Chen dan Blaurock. Untuk kapal Tanker, harga US adalah 5.799619 m/s . Menurut Blaurock dan Chen
US
5.397414.......... ..h arg a. pengali.U A
1
7.150304.......... .h arg a. pengali.U A
2
Dengan demikian hasil dari perhitungan dengan metode Guilloton berposisi pada daerah antara batas bawah dan batas atas dari Blaurock 5.2.2. Variabel design Propeller-vane turbin Aplikasi propeller vane turbin telah dilakukan pada kapal-kapal dengan main dimension ratio, - L/B
: 5.0 – 6.5
- B/T
: 2.5 – 4.2
- CT
: 1.0 – 4.0
Disamping ratio tersebut, tipe kapal dan jumlah propeller juga diperhitungkan Sedangkan parameter-parameter design turbin didapatkan dari perhitungan software powering ataupun hasil model test. Parameter-parameter design tersebut meliputi : thrust propeller (Tp), w (wake fraction), diameter propeller (Dp), Daya mesin (SHP). 5.2.3. Keuntungan dan kerugian propeller vane turbin Turbin di belakang propeller akan menghasilkan dua hal utama, yaitu Power (daya generator) dan negatif Thrust (Drag force). Sebagai akibat adanya negatif Thrust (drag force) kecepatan kapal dapat berkurang (menyebabkan speed loss) karena daya dorong propeller berkurang ( thrust propeller dikurangi dengan thrust turbin). Keuntungan yang didapatkan dari sistem propeller vane turbin diistilahkan sebagai Effisiensi Gain (EG). Dari penelitian yang telah dilakukan, kapal-kapal dengan propeller tunggal (single screw ship) terbukti lebih menguntungkan untuk aplikasi sistem ini daripada kapal kapal berbaling-baling ganda (twin screw ship), -
kapal single screw : effisiensi power yang didapatkan 4 – 15 %.
110
-
kapal twin screw : negatif effisiensi gain artinya dengan adanya vane turbin di belakang propeller power yang didapatkan oleh turbin tidak sebanding dengan penurunan kecepatan yang dialami oleh kapal.
Faktor lain yang akan menentukan besar kecilnya EG adalah besaran Coefficient Thrust Loading (CT) propeller. Propeller kapal yang beroperasi pada harga C T antara 1 sampai 2 seperti kapal Container akan menghasilkan benefit yang lebih baik daripada kapal yang mempunyai harga C T antara 3 sampai 4 (seperti kapal Tanker) 5.2.4. Uji Statistik pada sistem propeller vane turbin Dari uji statistik yang dilakukan dengan menggunakan metode Path Analysis (analisa jalur), ditemukan bahwa dari keempat variable eksogen (L/B, B/T, CT dan w) hanya L/B (5.0 – 6.5) kapal yang secara tidak langsung mempengaruhi besarnya Efficiensi Gain dengan nilai total indirect effect sebesar 0.8990. koefisien jalur sebesar . Tetapi Efficiency Gain akan secara langsung dipengaruhi oleh Koeffisien Thrust Loading propeller. Hal ini berkesesuaian dengan kesimpulan 5.2.3.. 5.2.5. Pengaruh ratio Thrust turbin dan propeller Ratio antara thrust turbin terhadap thrust propeller sangat menentukan besar kecilnya retrofit yang didapatkan. Dari penelitian yang dilakukan terhadap 20 buah kapal dari berbagai ukuran dan tipe yang telah diuji kenormalan distribusinya , ditemukan bahwa ratio (T t/Tp) tidak boleh lebih dari 9%. Suatu konstanta lain yang bisa dipakai untuk menjustifikasi apakah propeller turbin menguntungkan atau tidak adalah ratio antara Power turbin-propeller dengan Thrust turbin-propeller atau (Pt/Ps)/(Tt/Ts). Suatu persamaan korelasi yang bisa digunakan untuk menyatakan hubungan tersebut adalah y 13.51ln( x) 4.922 . Dimana x adalah harga ratio power turbin-propeller terhadap ratio thrust turbinpropeller. Y adalah effisiensi gain.
111
5.2.6. Evaluasi Propeller-Vane Turbin Untuk menjustifikasi awal apakah aplikasi propeller vane turbin memberikan benefit haruslah memenuhi persyaratan sebagai berikut, -
kapal single screw
-
harga ratio (Tt/Tp) tidak boleh lebih dari 9%
-
Effisiensi gain (effisiensi power) yang didapatkan dihitung dengan persamaan y 13.51ln( x) 4.922 . Dimana y adalah effisiensi gain yang didapatkan dan x adalah ratio power dan thrust dari turbin dan propeller.
5.3. Saran Metode yang dipergunakan untuk menyelesaikan hipothesis pada pemanfaatan aliran slipstream adalah Actuator disc concept. Sebagai pendekatan awal untuk membuktikan suatu hipothesis, penggunaan konsep actuator disc juga dilakukan oleh para ahli lainnya. Pada teori ini, propeller dan turbin diasumsikan sebagai piringan yang berputar sehingga banyak parameter design yang diabaikan seperti jumlah daun, bentuk daun, pengaruh viscositas. Dengan adanya keterbatasan konsep actuator disc, maka penelitian lanjutan mutlak dilakukan untuk menyempurnakan hasil penelitian. Langkah awal sudah dilakukan oleh penulis dengan melaksanakan : - perhitungan performance propeller berbasis teori garis angkat (lifting line theory) - perhitungan performance turbin berbasis Combine Momentum Blade Element Theory (CMBT) . Dari kedua langkah perhitungan tersebut akan didapatkan besarnya Power turbin serta komponen kecepatan (self induced velocity ke arah axial dan tangential). Dengan diketahuinya power turbin, maka kecepatan putar turbin (rpm) dapat diketahui pula. Hasil ini sangat bermanfaat untuk menunjang penelitian lanjutan, seperti penggunaan CFD karena setting rpm turbin akan sangat diperlukan dalam aplikasi CFD pada dua benda berputar.
112
113
Bab 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Umum Dalam pengembangan Energi Saving Devices, hal yang sangat diperhatikan adalah penekanan terhadap recovery energy axial dan rotasional. Salah satunya adalah Grim Vane Wheel. Aplikasi GVW mengklaim adanya peningkatan efisiensi sebesar 5-10 % . Hal ini terjadi karena adanya peningkatan thrust akibat bentuk bagian luar GVW seperti bentuk propeller. Dari hasil aplikasi GVW pada beberapa kapal, ditemukan bahwa disamping hal yang menguntungkan juga terdapat hal-hal yang masih perlu diperhatikan, diantaranya adalah masalah vibrasi dan kekuatan struktur GVW. Penelitian yang dilakukan sekarang dimaksudkan untuk mereduksi permasalahan yang muncul dari sistem GVW. Energi kinetik aliran slipstream tidak dipakai sebagai sumber energi untuk mendapatkan gaya dorong tambahan, tetapi lebih dititik beratkan pada recovery energi hilang, yaitu dengan memasang turbin di belakang propeller. Diameter turbin didesain lebih kecil daripada diameter propeller sehingga interferensi antara propeller dengan turbin bisa diminimalkan. Posisi turbin ditempatkan di depan kemudi sehinggga jarak antara keduanya sangat terbatas. 5.2. Kesimpulan 5.2.1. Aliran slipstream/ulekan di belakang propeller Kecepatan aliran (US) yang menuju turbin, dengan aplikasi teori Guilloton, didapatkan sebesar, US = VA + Ui dimana VA adalah adalah adavance velocity dan Ui adalah self induced velocity daun propeller. Besarnya self induced velocity akan sangat dipengaruhi oleh besarnya koefisien thrust loading propeller. Dikarenakan aliran ulekan di belakang propeller merupakan aliran yang sangat kompleks (rumit) maka penggunaan rumus di atas sangatlah membantu dalam proses design ataupun evaluasi pada perancangan propeller-vane turbin. Rumus di atas sangatlah berkesesuaian (ada konsistensi hasil) dengan hasil perhitungan yang telah dilakukan oleh Chen dan Blaurock. Untuk kapal Tanker, harga U S adalah 5.799619 m/s . Menurut Blaurock dan Chen
US
5.397414.......... ..h arg a. pengali.U A
1
7.150304.......... .h arg a. pengali.U A
2
Dengan demikian hasil dari perhitungan dengan metode Guilloton berposisi pada daerah antara batas bawah dan batas atas dari Blaurock 5.2.2. Variabel design Propeller-vane turbin Aplikasi propeller vane turbin telah dilakukan pada kapal-kapal dengan main dimension ratio, - L/B
: 5.0 – 6.5
- B/T
: 2.5 – 4.2
- CT
: 1.0 – 4.0
Disamping ratio tersebut, tipe kapal dan jumlah propeller juga diperhitungkan Sedangkan parameter-parameter design turbin didapatkan dari
perhitungan software
powering ataupun hasil model test. Parameter-parameter design tersebut meliputi : thrust propeller (Tp), w (wake fraction), diameter propeller (Dp), Daya mesin (SHP). 5.2.3. Keuntungan dan kerugian propeller vane turbin Turbin di belakang propeller akan menghasilkan dua hal utama, yaitu Power (daya generator) dan negatif Thrust (Drag force). Sebagai akibat adanya negatif Thrust (drag force) kecepatan kapal dapat berkurang (menyebabkan speed loss) karena daya dorong propeller berkurang ( thrust propeller dikurangi dengan thrust turbin). Keuntungan yang didapatkan dari sistem propeller vane turbin diistilahkan sebagai Effisiensi Gain (EG). Dari penelitian yang telah dilakukan, kapal-kapal dengan propeller tunggal (single screw ship) terbukti lebih menguntungkan untuk aplikasi sistem ini daripada kapal kapal berbaling-baling ganda (twin screw ship), -
kapal single screw : effisiensi power yang didapatkan 4 – 15 %.
-
kapal twin screw : negatif effisiensi gain artinya dengan adanya vane turbin di belakang propeller power yang didapatkan oleh turbin tidak sebanding dengan penurunan kecepatan yang dialami oleh kapal.
Faktor lain yang akan menentukan besar kecilnya EG adalah besaran Coefficient Thrust Loading (CT) propeller. Propeller kapal yang beroperasi pada harga C T antara 1 sampai 2 seperti kapal Container akan menghasilkan benefit yang lebih baik daripada kapal yang mempunyai harga CT antara 3 sampai 4 (seperti kapal Tanker) 5.2.4. Uji Statistik pada sistem propeller vane turbin Dari uji statistik yang dilakukan dengan menggunakan metode Path Analysis (analisa jalur), ditemukan bahwa dari keempat variable eksogen (L/B, B/T, C T dan w) hanya L/B (5.0 – 6.5) kapal yang secara tidak langsung mempengaruhi besarnya Efficiensi Gain dengan nilai total indirect effect sebesar 0.8990. koefisien jalur sebesar . Tetapi Efficiency Gain akan secara langsung dipengaruhi oleh Koeffisien Thrust Loading propeller. Hal ini berkesesuaian dengan kesimpulan 5.2.3.. 5.2.5. Pengaruh ratio Thrust turbin dan propeller Ratio antara thrust turbin terhadap thrust propeller sangat menentukan besar kecilnya retrofit yang didapatkan. Dari penelitian yang dilakukan terhadap 20 buah kapal dari berbagai ukuran dan tipe yang telah diuji kenormalan distribusinya , ditemukan bahwa ratio (Tt/Tp) tidak boleh lebih dari 9%. Suatu konstanta lain yang bisa dipakai untuk menjustifikasi apakah propeller turbin menguntungkan atau tidak adalah ratio antara Power turbin-propeller dengan Thrust turbin-propeller atau (Pt/Ps)/(Tt/Ts). Suatu persamaan korelasi yang bisa digunakan untuk menyatakan hubungan tersebut adalah
y 13.51ln( x) 4.922 . Dimana x adalah harga ratio power turbin-propeller terhadap ratio thrust turbin-propeller. Y adalah effisiensi gain.
5.2.6. Evaluasi Propeller-Vane Turbin Untuk menjustifikasi awal apakah aplikasi propeller vane turbin memberikan benefit haruslah memenuhi persyaratan sebagai berikut, -
kapal single screw
-
harga ratio (Tt/Tp) tidak boleh lebih dari 9%
Effisiensi gain (effisiensi power) yang didapatkan dihitung dengan persamaan
-
y 13.51ln( x) 4.922 . Dimana y adalah effisiensi gain yang didapatkan dan x adalah ratio power dan thrust dari turbin dan propeller. 5.3. Saran Metode yang dipergunakan untuk menyelesaikan hipothesis pada pemanfaatan aliran slipstream adalah Actuator disc concept. Sebagai pendekatan awal untuk membuktikan suatu hipothesis, penggunaan konsep actuator disc juga dilakukan oleh para ahli lainnya. Pada teori ini, propeller dan turbin diasumsikan sebagai piringan yang berputar sehingga banyak parameter design yang diabaikan seperti jumlah daun, bentuk daun, pengaruh viscositas. Dengan adanya keterbatasan konsep actuator disc, maka penelitian lanjutan mutlak dilakukan untuk menyempurnakan hasil penelitian. Langkah awal sudah dilakukan oleh penulis dengan melaksanakan : - perhitungan performance propeller berbasis teori garis angkat (lifting line theory) - perhitungan performance turbin berbasis Combine Momentum Blade Element Theory (CMBT) . Dari kedua langkah perhitungan tersebut akan didapatkan besarnya Power turbin serta komponen kecepatan (self induced velocity ke arah axial dan tangential). Dengan diketahuinya power turbin, maka kecepatan putar turbin (rpm) dapat diketahui pula. Hasil ini sangat bermanfaat untuk menunjang penelitian lanjutan, seperti penggunaan CFD karena setting rpm turbin akan sangat diperlukan dalam aplikasi CFD pada dua benda berputar.
DAFTAR PUSTAKA Abbot, I.H, von Doenhoff A.E., [1958], Theory of wing section, New York, Dover Publication Akintunde, A.N., [2012], Path Analysis Step by step using excel, Journal of Technical Science and Technologies, 1(1):9-15, ISSN : 2298-0032 Back, C., Fugelsang, P., Sorensen, N.N., Madsen, H.A. [1999], tercharactristics for wind turbines, RISO-R-1065(EN)
Airfoil charac-
Benini, E., [2004], Significance of Blade element theory in performance prediction of marine propellers, Ocean Eng. 31, Elsevier Blaurock, J., [1983], Propelller plus vane wheel, an unconventional propulsion system, International Symposium on Ship Hydrodinamics and energy saving, paper No. IX-2, Ul Pardo Breslin, J.P. and Andersen, P., [1994], Hydrodynamics of Cambridge University Press, ISBN 0-521-57470-6
Ship
Propellers,
Blanton J.N. [1988], Near and Far field propeller wake study using laser Doppler velocity metry, DTRC SHD 1268-01 Brown, D., Rothery, P., [1993], Models in Biology: Mathematics, Statistics and Computing, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, England ISBN: 0471933228 Calcagno, G., Di Felice, F., Felli, M., Pereira, F., [2002], Propeller Wake Analysis Behind a Ship by Stereo PI, Proceeding of the 24th Symposium of Navay Hydrodynamic, Fukuoka, Japan. Chen, B.Y.H., [1989], A vane wheel propulsor for a naval auxiliary, DTRC- 89/ 023 Carlton, JS., [2007], Marine propellers and propulsors, Second Edition, Elsevier Ltd, USA Chesnack, C., Jessup, S.D., [1998], Experimental Characterization of Propeller Tip Flow, Proceeding of the 22th Sysmposium on Naval Hydrodynamic, Washington DC. Coney, W.B., [1989], A Method for the Design of a Class of Optimum Marine Propulsors, Ph.D thesis, Cambridge, Massachusetts, Departemen of Ocean Engineering, MIT
113
Di Felice, F., Felli M., Ingenito G., [2000], Propeller Wake Analysis by Means LDV, Proceeding of the Propeller and Shafting Symposium, Virginia Beach. Epps, B., [2010], Openprop 2.4 Teory document, Dept. Mech. Eng. MIT Epps, B., Chalfant, J., Kimball, R., Techet, A., Flood, K., [2010], Openprop : An open source parametic design and analysis toll for propellers, http://openprop.mit.edu Esposito, P., et al. [1998], Experimental and Numerical Investigation of the Unsteady Flow Around Propeller, Proceeding of the 23th Symposium of Navay Hydrodynamic, Val De Reuil, France. Felli, M., Di Felice F., Romano, G.P., [2000], Installed Propeller Wake Analysis with LDV: Phase Sampling Technique, Proceeding of the 9th International Symposium on Flow Visualisation, Edinburgh. Glauert, H., [1963], The elements of aerofoil and airscrew theory, Cambridge University press, New York Glover, E.J., [1987], Propulsive devices for improved propulsive efficiency, Trans. Institute of Marine Engineers, vol. 99, paper 31, pp. 23-9, London. Gunst, R.F. , Mason, L. R. [1980], Regression Analysis and Its Application, Marcel Dekker, Inc, New York, USA ISBN:0-8247-69993-7 Gupta, S., Leishman, J.G., Comparison of momentum and vortex methods for the aerodynamic ananalysis of wind turbines, 43th AIAA -594, Aerospace Meeting & Exihibit, Reno, Nevada, USA Harvald, S.A., [1983], Resistance and Propulsion of Ship, John Wiley & Sons, Inc., ISBN : 979-8007-27-1 Hoshino, T., [1991], Numerical and Experimental Propeller Wake by Using a Surface Panel Method and a 3-Component LDV, Eighteenth Symposium on Naval Hydrodynamic. Hoshino, T., and Nakamura, N., [1988], Propeller Design and Analysis Based on Numerical Lifting Surface Calculation, Marine and Offshore Computer Applications, Springer Verlag, Berlin, pp. 549-574 Hoshino, T., et. al, [2004], Development of High Performance Stator Fin by Using Advanced Panel Method, Mitsubishi Heavy Industries. Ltd. Technical Review Vol. 41 No. 6, December 2004
114
Ingram, G., [2005], Wind turbine blade analysis using the blade element momentum method, Durham University Kawakita, C., and Hoshino, T., [1998], Design System of Marine Propellers with New Blade Sections, Proceeding of the 22th Sysmposium on Naval Hydrodynamic, Washington DC. Kee, C., Hamil, G.A., Lam, W.H., Wilson, P.W., (2006), Investigation of the velocity distribution within a ship’s propeller wash, Proceeding of Int. Offshore and polar Eng. Conference, Clifornia, USA Kerwin, J.F. and Lee, C.S., [1978], Prediction of Steady and Unsteady Maine Propeller Performance by Numerical Lifting Surface Theories, Transaction SNAME, Vol. 86, pp. 218-253. Leksono, S., Utama, I.K.A.P., Djoni, I.M.A., Aryawan, W.D., A vane turbine as an energy conversion in the propeller slipstream of single screw ship , Advanced Materials Research Vol.789, pp 417-422, TTP, Switzerland, 2013 Leksono, S., Utama, I.K.A.P., Djoni, I.M.A., Aryawan, W.D., A vane turbine in the propeller slipstream as an alternative energy saving devices, Proceedings of the 5th International Conference on Tech. and Operational OSV, organized by The Joint Branch of RINA & IMarEST (Singapore), NUS ,SMA , Singapore, pp 139-149, 2013 Lewis, E.V., [1988],
Principal Naval
Architecture, SNAME
Vol.II, NY
Malcolm, D.J. [2003], Market, cost, and technical analysis of vertical and horizontal axis wind turbines. Task 2: VAWT vs. HAWT technology, Project Report of Global Energy Concepts, LLC, Washington, www.globalenergyconcepts.com Molland, A.F. , [1992], The prediction of rudder-propeller interaction using blade element momentum theory and modified lifting line theory, Ship Science Report No.54, Univ.Soton, 1992 Molland, A.F. and Turnock, S.R., [1992], Further development in the use blade element-momentum and modified lifting line theories to predict rudderpropeller interaction, Ship Science Report No.80, Univ.Soton, 1992 Morino, L. [1974], A General Theory of Unsteady Compressible Potential Aerodynamics, CR 2464, NASA. O’brien, T.P. [1962], The design of marine screw, Hutchinson scientific and
115
technical. Patience, G. [1991], Development in marine propellers, Proceeding Insen. Mech. Eng. Vol.205 Thresher, R., Hock S., Loose R. and Cadogan J. [1994], The National Wind Technology Center, In Windpower ’94 Conference, Minneapolis, MN, May 913, Sugiyono [2011] , Statistik untuk penelitian, Alfa beta, ISBN 978-979-8433-10-8, Bandung Shikha, Bhatt, T.S., Kothari, D.P., [2003], The Evolution of Technology : a Review, IE(I) Journal–ID, Vol 84, May.
Wind
Power
Stella, A., Guy, G., Di Felice, F., [2000], Propeller Flow Field Analysis by Means of LDV Phase Sampling Techniques, Experiments in Fluids, Vol 28, pp. 110. Weitendorp, E.A., [1981], Session on propulsion, propellers, ITTC 1981 Wright, S., [1934], The method of Path Coefficients, The Annals of Mathematics Statistics, Vol 5, No.3, pp 161-215
116
BIOGRAFI PENULIS
Penulis bernama lengkap, Setyo Leksono. Lahir di Surabaya pada tanggal 19 Desember 1963. Penulis merupakan putra ke 5 dari 8 bersaudara dari keluarga Bpk Moestakim (alm.) seorang pejuang LVRI dan ibu Soemini (almh.) Mengawali pendidikan dasarnya di SDN Karang Menur II, di Surabaya lulus tahun 1977. Penulis melanjutkan sekolah di SMPN 6 Surabaya dan lulus pada tahun 1977. Pendididkan menengah atas di tempuh penulis di SMPPN (sekarang SMAN 16 ) Surabaya dan lulus tahun 1984. Pada tahun 1984 penulis melanjutkan pendidikan di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada Fakultas Teknologi Kelautan jurusan Perkapalan. Selama dalam perkuliahaan bidang keahlian yang diambil adalah Perencanaan Kapal dan lulus pada tahun 1989 dengan judul : “Kajian Teknis dan ekonomis Tug-Barges system sebagai sarana transportasi pengangkutan barang di Kalimantan Selatan” Mengawali terjun ke masyarakat sebagai dosen Universitas HangTuah pada akhir tahun 1989 sampai awal tahun 1990. Pada pertengahan tahun 1990, penulis ikut bergabung di Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi menjadi Pegawai Negeri Sipil, selama 3 bulan berada di Jakarta untuk selanjutnya penulis dilibatkan pada proyek Pembangunan Laboratorium Hidrodinamika yang berlokasi di Surabaya . Pada tahun 1991 bersama dengan 15 orang key personil lainnya, penulis diberangkatkan ke MARIN (Maritime Research Institutes the Netherlands) selama 10 bulan untuk alih teknologi di bidang pengujian hidrodinamika. Penulis terpilih sebagai Head Cavitation Tunnel yang bertugas untuk ambil alih teknologi di bidang powering dan kavitasi. Sekembali di tanah air, penulis langsung terlibat dalam proses erection dan operational Cavitation Tunnel. Dengan selesainya pembangunan laboratorium hidrodinamika (Indonesian Hydrodinamics Laboratory) yang diresmikan presiden Soeharto pada tahun 1995, penulis masih berkecimpung dan aktif di Cavitation Tunnel. Pada tahun 1993, penulis meniti karir sebagai Peniliti di bidang Teknlogi Kelautan. Bidang penelitian yang penulis ambil kebanyakan di bidang propeller kapal. Banyak kegiatan penelitian yang penulis lakukan di Cavitation Tunnel, baik yang dibiayai oleh Dewan Riset Nasional (DRN) lewat program Riset Unggulan Terpadu V (RUT) pada tahun 1995, Kemenristek ataupun dari BPPT. Pada Tahun 1996, penulis mendapatkan beasiswa dari STAID untuk melanjutkan study di ITS program Pasca Sarjana (S2). Penulis ambil jurusan Teknologi Kelautan bidang study Teknologi Perancangan Bangunan Laut (TPBL). Penulis lulus pada tahun 1999 dengan thesis berjudul “ Analisa komparatif hidrodinamis bangunan lepas pantai terapung dan semi tenggelam”.
Pada tahun 2008 penulis impassing jabatan fungsional peneliti ke perekayasa, dengan jabatan terakhir sebagai Perekayasa Madya (sampai sekarang). Pada tahun yang sama penulis mendapatkan kesempatan untuk melanjutkan study ke program Doktoral. Biaya pendidikan hanya dikecap tidak sampai 2 tahun, untuk selanjutnya penulis membiayai sendiri penelitiannya sampai tersusunnya Disertasi ini. Suatu tantangan yang cukup berat bagi penulis untuk menyelesaikannya. Ada falsafah dunia perkapalan yang penulis pegang “Biarpun propeller itu kecil dan selalu berada di belakang tetapi dia menghantarkan kapal yang besar sampai menuju tujuannya” . Biarpun kecil tetapi sangat bermanfaat. Sangat mulia
