METODOLOGI APLIKASI AZIMUTH PROPELLER PADA KAPAL KMP.SULTAN MURHUM BERDASARKAN KEMAMPUAN MANUVER KAPAL Aulia Windyandari1 1) Program Studi Diploma Teknik Perkapalan, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Email:
[email protected] Abstrak Sistem propulsi atau penggerak merupakan sistem yang sangat berperan dalam kemampuan gerak suatu kapal. Pada kasus tertentu seperti pada kapal-kapal pemecah es (icebreakers) dan scientific ships, dibutuhkan alat penggerak yang mampu memberikan performance yang lebih, sehingga diperkenalkanlah sistem-sistem penggerak kapal jenis pod (azimuth podded propulsor) yang juga merupakan propulsi jenis elektrik. Kondisi sarat kapal juga berpengaruh terhadap maneuvering kapal, dari data hasil pengujian menunjukkan bahwa pada dengan kondisi sarat yang lain menghasilkan manuver kapal berbeda. Strategi pengendalian maneuver merupakan hal yang sangat penting dalam sistem navigasi kapal untuk pencapaian target yang telah ditentukan menurut standar IMO. Simulasi perhitungan dan gerak kapal menggunakan Matlab dilakukan untuk mengetahui analisa kemampuan maneuver kapal yang diteliti. Artikel ini difokuskan pada metodologi kemampuan manuver kapal dengan menggunakan Azimuth Podded Propeller yang diaplikasikan pada kapal KMP. Sultan Murhum, khususnya akibat yang ditimbulkannya. Kata kunci: Azimuth Podded Propeller, Propulsion System, Manuevering 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sistem propulsi atau penggerak merupakan sistem yang sangat berperan dalam kemampuan gerak suatu kapal.Awal sejarah perkembangan tentang alat gerak kapaltelah dimulai pada kisaran 287 – 212 SM yang mana seorang Archimedes menemukan piranti untuk memindahkan air dari danau ke saluran irigasi pertanian Syiracuse di Sicily. Alat ini kemudian dikenal dengan sebutan “Archimedean Screw Pumps”, [1], hingga penggerak-penggerak kapal jenis pod yang baru diperkenalkan pada industri perkapalan akhirakhir ini sesungguhnya berasal dari konsep pendorong jenis azimuth (azimuthing thruster) yang telah mulai digunakan secara umum sejak 1878, [2]. Sejak penggunaan pertama kali sampai dengan sekarang, baling-baling sebagai alat penggerak kapal berkembang secara tahap demi tahap. Walaupun demikian saat ini baling-baling merupakan alat penggerak kapal mekanis yang paling banyak digunakan untuk kapal-kapal dari segala ukuran dan jenisnya, [3]. Pada kasus-kasus tertentu seperti pada KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
kapal-kapal pemecah es (icebreakers) dan scientific ships, dibutuhkan alat penggerak yang mampu memberikan performance yang lebih, sehingga diperkenalkanlah sistem-sistem penggerak kapal jenis pod (azimuth podded propulsor) yang juga merupakan propulsi jenis elektrik, [4]. Namun demikian, kebutuhan untuk penggerak-penggerak jenis pod yang lebih besar lagi terjadi sangat cepat selama pertengahan tahun-tahun 1990-an dengan unit-unit atau satuansatuan yang dayanya makin meningkat dari hanya beberapa megawatt sampai lebih dari 20 megawatt seperti yang ada saat ini. Jenis penggerakpenggerak kapal ini pada awal-awal tahun penggunaannya hanya diterapkan terutama pada kapal-kapal pemecah es (icebreakers) dan kemudian pada kapal-kapal pesiar yang besarbesar (cruisers), tetapi saat ini telah digunakan juga pada kapal-kapal penyeberangan penumpang/kendaraan jenis roro (ropax ferries), kapal-kapal tanker, kapal-kapal pemasang kabel laut (cable layers), kapal-kapal perang dan kapalkapal riset. Perkembangan yang sangat cepat ini terpicu oleh pernyataan-pernyataan para penggunanya mengenai daya guna penggerak serta 49
kemampuan olah gerak kapal yang telah nyatanyata terbukti menjadi lebih baik, [2]. Strategi pengendalian maneuver merupakan hal yang sangat penting dalam sistem navigasi kapal untuk pencapaian target yang telah ditentukan. Dengan adanya kenyataan di atas, maka pada penelitian ini difokuskan pada “Penggunaan Azimuth Podded terhadap Kemampuan Maneuver Kapal”. Penelitian ini akan membahas tentang pengaruh jenis propulsi azimuth podded. 1.2. Masalah Kemampuan Maneuver kapal sangat diperlukan pada saat beroperasi diperairan terutama disaat masuk dan keluar pelabuhan/dermaga. Kemampuan maneuver kapal ini ditentukan oleh performance daun kemudi,kondisi laut dan bentuk kapal itu sendiri. KMP Sultan Murhum suatu jenis kapal Ferry yang telah beroperasi beberapa waktu yang lalu memperlihatkan hasil maneuvering yang tidak optimal terutama dalam kondisi laut yang bergelombang. Hal ini berdampak terhadap durasi dan waktu operasional kapal bertambah dan akan berdampak biaya operasional akan bertambah ( operation cost of ships). Untuk mengatasi hal ini maka diperlukan sentuhan teknologi (technology toushed) yang berkaitan dengan maneuvering kapal tersebut. Dari referensi literature yang ada dan aplikasi teknologi terhadap penggunaan Azimuth Podded propeler terhadap berbagai jenis/type menunjukkan bahwa performance Maneuvering kapal lebih effektiF dan optimal bila menggunakan alat tersebut, karena disamping berfungsi sebagai alat penggerak kapal juga untuk maneuvering kapal, yang mana studi kasus pada kapal KMP. Sultan Murhum yang sedang perbaikan di 1.3. Batasan masalah Ruang lingkup penelitian ini lebih fokus pada maneuvering kapal, yang meliputi ; a. Jenis propeller yang digunakan sebagai pembanding adalah , type propeller konvensiona.
1.4. Tujuan Langkah utama penelitian ini bertujuan sebagai berikut ; a. Untuk mengetahui kemampuan maneuver kapal bila menggunakan jenis propulsor Azimuth podded b. Menerangkan perbedaan esensial yang mendasar antara jenis propulsor Azimuth podded. 1.5. Manfaat Beberapa manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah ; a. Memberikan pemahaman atau pengetahuan baru terkait jenis propulsor yakni azimuth podded. b. Menambah pengetahuan mengenai pengaruh jenis propulsor terhadap kemampuan maneuver kapal. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Standar Maneuverability Prosedur yang digunakan dalam maneuvering sebuah kapal, mengacu kepada peraturan standar kemampuan maneuver kapal yang direkomendasikan oleh International Maritime Organization (IMO) yakni resolusi MSC.137 (76) annex.6 tertanggal 4 Desember 2002 dan mulai diterapkan sejak tanggal 1 Januari 2004, yang mana resolusi ini merupakan amandemen terhadap resolusi sebelumnya yakni A.751 (18) mengenai standar kemampuan maneuver kapal. Mengacu kepada penjelasan resolusi tersebut di atas, sebagaimana yang telah direkomendasikan oleh International Maritime Organization (IMO), aturan standar yang dimaksud disini didasarkan atas pengertian bahwa kemampuan maneuver kapal dapat dievaluasi berdasarkan karakteristik dari pengujian maneuver seperti biasanya atau secara konvensional, dimana kapal yang dimaksud adalah kapal yang memiliki panjang 100 meter atau lebih (kecuali tanker dan gas carrier) dengan menggunakan sistem propulsi dan sistem kemudi (steering) konvensional yakni gaya dorong kapal dihasilkan oleh propeller yang digerakan oleh poros propeller. Standar maneuver dan terminologinya didefinisikan sebagai berikut :
b. Kemampuan maneuvering yang dianalisa adalah, Turning circle dan Zig-zag maneuver.
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
50
Propulsion Control & Automation
Generators
Switchboard Propulsion Transformers Variable Speed Propulsion Drives
Azipod Propulsion
Gambar 1. Instalasi sistem azipod propulsion a. Zig zag maneuver dengan sudut kemudi 10 derajat/10 derajat dilaksanakan dengan prosedur sebagai berikut : • Setelah tercapai steady approach dengan percepatan yawingsama dengan nol, maka kemudi dibelokan sebesar 10 derajat ke arah starboard atau portside(eksekusi pertama). • Pada saat sudut heading berubah 10 derajat dari sudut heading semula, maka kemudi dibelokan berlawanan atau dibalik 10 derajat ke arah portside atau starboard (eksekusi kedua). • Setelah kemudi dibelokan ke arah portside/starboard, maka kapal akan terus berbelok pada arah semula dengan mengalami penurunan kecepatan belok. Untuk mengetahui respon kapal terhadap kemudi maka selanjutnya kapal harus dibelokan ke arah portside/starboard. Ketika kapal sudah mencapai sudut heading 10 derajat ke arah portside/starboard dari lintasan semula maka selanjutnya kemudi dilawan atau diarahkan sebaliknya yakni 10 derajat ke arah starboard/portside (eksekusi ketiga). KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
b. Sudut overshoot pertama adalah penambahan dari deviasi sudut heading pada zig -zag maneuver pada eksekusi kedua. c. Sudut overshoot kedua adalah penambahan dari deviasi sudut heading pada zigzag maneuver pada eksekusi ketiga. d. Zig-zag maneuver dengan sudut kemudi 20 derajat/20 derajat dilaksanakan dengan prosedur yang sama dengan urutan prosedur no.3 sampai dengan no.5. Untuk menganalisa maneuver performance kapal maka pengujian maneuver baik ke arah portside maupun starboard harus dilaksanakan dengan kondisi sebagai berikut: • Pengujian dilakukan pada perairan dalam (deep water) atau perairan tak terbatas (unrestricted water). • Kondisi perairan atau linkungan yang tenang (calm environment). • Kondisi sarat penuh (sesuai dengan garis air pada musim panas), even keel. • Steady approach pada saatspeed test. IMO telah merekomendasikan beberapa kriteria standar untuk manuverabilitas kapal. 51
Kriteria tersebut harus dipenuhi oleh sebuah kapal saat beroperasi baik di perairan yang dalam (deep water) maupun di perairan terbatas atau beroperasi di sekitar pelabuhan atau di perairan yang dangkal (restricted and shallow water).
Gambar 2.Turning cycle maneuver(Sumber: IMO Resolusi MSC 137 (76) 2002) Manuver yang digunakan dalam percobaan di laut mengikuti rekomendasi dari maneuvering trial code of ITTC (1975) and the Imo circular MSC 389 (1985). IMO juga menentukan penampilan dari beberapa hasil pada poster, bucklet dan maneuvering bucklet pada IMO resolution A.601 (15)(1987).
Gambar 3.Zig-zagManeuver (Sumber : IMO Resolusi MSC 137 (76) 2002)
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
Standar pengujian yang diperlukan dalam manuver kapal disyaratkan dalam IMOResolusi MSC 137 (76) (2002) antara lain Turning Cycle Test. Turning cycle test, mulai dari gerak lurus dengan laju konstan, rudder dihidupkan dengan kecepatan maksimum ke sudut δ (sudut kemudi maksimum) dan tetap pada sudut tersebut, sampai kapal telah melakukan turning oo0gcycle paling kurang 540o. percobaan dilakukan untuk bagian port dan starboard. Informasi penting yang diperoleh dari manuver tersebut umumnya dengan menggunakan GPS yang terdiri atas (Gambar 1): Beberapa parameter yang digunakan untuk mendefenisikan kinerja kapal pada saat berputar adalah: • Drift angel (sudut drift), adalah sudut antara haluan kapal dan arah gerakan. Sudut tersebut bervariasi sepanjang kapal. • Advance, merupakan jarak dari pelaksanaan awal ke sumbu x pada kapal ketika telah berbelok 90◦. • The transfer, merupakan jarak dari jalur ke awal mula kapal ketika sumbu x pada kapal telah berbelok 90◦. • The tactical diameter, merupakan jarak dari jalur awal ke sumbu x pada kapal ketika kapal telah berbelok 180◦. • The diameter of the steady turning circle, diameter dari lingkaran yang terus-menerus berputar. Kondisi tetap biasanya dihubungkan pada beberapa titik antara perubhan 90o dan 180o dari perubahan pos. Nilai-nilai khas adalah tactical diameter dari 4,5-7 L untuk yang ramping, 2,4-4 untuk kapal pendek dan kapal yang penuh. Menentukan rasio yang ramping L/3√∇, dimana ∇ adalah volume displacement. Turning cycle manuver harus dilakukan pada kedua bagian sisi kapal dengan 30o atau sudut maksimum kemudi yang diperbolehkan pada tes kecepatan.Informasi penting yang akan diperoleh dari manuver ini adalah tactical diameter, advance, and transfer. Sebuah tes zig-zag harus dimulai untuk kedua bagian star board dan port dan dengan menerapkan sudut kemudi.
52
Beberapa pengukuran penting dari Zig-zag Maneuver ini antara lain: • Overshoot angle adalah jumlah dari pertambahan heading setelah kemudi berbalik. Sudut yang besar akan membuat juru mudi mengalami kesulitan dalam memutuskan kapan akan menggunakan • kemudi untuk memeriksa putaran. Sudut tersebut tidak bergantung pada panjang kapal. • Waktu untuk membalikkan kemudi pertama dan perubahan maksimal heading pertama. Waktu akan proporsional terhadap panjang. • Sudut overshoot yang tetap dan periode berputar sekali dalam kondisi stabil dapat tercapai. Dua jenis tes zig-zag standar, yaitu 10o/10o dan 20o/20o. Tes zig-zag 10o/10o menggunakan sudut kemudi 10o pada kedua sisi dengan heading 10o. Sedangkan tes zig-zag 20o/20o menggunakan sudut kemudi 20o pada heading 20o. Informasi penting yang akan diperolah dari tes ini adalah sudut over shoot, waktu perubahan awal ke execute kedua dan waktu untuk memeriksa yaw. Untuk lebih jelasnya perhatikan tabel 1.
dihasilkan oleh European major electric manufacturer seperti ABB, Alstrom dan Semens. Di Jepang, prototipe dari unit yang asli telah dikembangkan pada proyek Super Eco Ship yang disponsori oleh Pemerintah Jepang. [5]Pod propulsion unit telah digunakan pada sebagian besar kapal-kapal pesiar sehingga mampu membuat keistimewaan yang baik termasuk kemampuan steering yang baik, pengurangan getaran dan kebisingan, serta fleksibilitas layout mesin di dalam kapal.[6] Pod Propeller merupakan sebuah unit penggerak sistem propulsi elektrik yang digerakkan oleh motor elektrik pada pod yang menggunakan tenaga elektrik dari power generation plant. Pada sisi lain, baling-baling utama yaitu unit penggerak mekanikal,r dan unit penggerak elektrik, secara langsung digerakkan oleh dua set mesin diesel kecepatan medium dengan cara mengurangi gigi persneling dengan kopling dan poros antara.Selama percepatan, po unit memiliki torsi yang cukup bahkan pada kecepatan rendah dengan keutamaan motor elektrik dan mudah dalam mempercepatnya ke kecepatan tinggi.
Tabel 1. Standar Manuverabilitas Kapal oleh IMO (Resolusi MSC 137 (76) 2002) Ability Turning ability Initial turning ability Stopping ability Course-keeping and yaw-checking ability
Test
Criteria
Turning test with max. Rudder Angle (35 deg.) 100 / 100 Z-test Stopping test with full astern 100 / 100 Z-test
2.2. Sistem Azimuth Podded Pod propulsion unit adalah sejenis azimuth tipe thruster yang secara langsung digerakkan oleh sebuah motor elektrik yang terpasang pada unit pod. Komponen utama dari sistem tersebut yaitu pod unit, steering unit, moto KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
Advance <4,5 L Tactical Diameter <5,0 L Distance ship run before 2nd rudder execution < 2,5 L Track reach < 15 L 1st Overshoot <100 (L/U<10 <(5+0,5 (L/U))0 (10s
Pada mode maneuvering, operator dapat memilih kombinasi yang baik pada variasi lebar atau luas baling-baling utama dan keseimbangan daya pod baling-baling.[6]. Penggunaan propulsi motor listrik mulai dari 5 sampai dengan 25 MWatt, menggantikan 53
penggunaan propeller dengan poros dan rudder konvensional. Teknologi pod memungkinkan untuk menempatkan propeller pada daerah aliran air yang optimal (hydro-dynamically optimised). Pod propeller diadopsi dari Azimuth Propeller, dengan menempatkan electro-motor di dalam pod diluar dari badan kapal.Ada tiga topic utama dalam podded propulsion yaitu fixed pod, azimuth pod ,[7], dan Contra Rotating Propeller. [8]
Gambar 5a. Sistem propulsi konvensional
Gambar 4. Komponen-komponen propulsi Azimuth Podded Gambar 5b. Sistem podded propulsion Pod unit terhubung dengan lambung kapal melalui sebuah penopang dan slewing bearing assembly. Pemasangan ini membolehkan pod unit untuk berotasi dan demikian juga dengan daya dorong yang dikembangkan oleh propeller dapat diatur kemanapun juga pada horizon di sebuah kompas 360°. Susunan podded propeller menghilangkan syarat untuk kemudi dan tambahan seperti shaft brackets. Susunan ini berakibat pada drag tambahan yang lebih rendah. Poros yang lebih pendek dapat membantu mengurangi kebisingan dan getaran. Sistem podded propulsion juga menghasilkan maneuverability yang lebih baik daripada propeller konvensional, khususnya dalam water operation. Gambar (3) menunjukkan perbandingan antara susunan sistem propulsi propeller-rudder konvensional dan sistem podded propulsion.
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
Motor listrik sebagai propulsor kapal merupakan penemuan mutakhir dan mulai populer akhir-akhir ini di bidang perkapalan khususnya pada motor penggerak kapal, dengan menjanjikan keuntungan dan efisiensi sistem yang lebih baik,motor listrik secara perlahan mulai menggantikan sistem propulsor lain. Salah satu konfigurasi propulsor dengan motor listrik berupa “Azimuthing Podded Drive” atau disingkat Azipod dimana motor listrik berada di dalam pod (tempat berbentuk silinder) yang terletak di luar lambung kapal dan strut yang menghubungkan pod dengan lambung kapal. Selain memiliki rasio berat daya yang rendah, Azipod memberikan keuntungan terhadap olah gerak kapal yaitu mampu berotasi 3600 pada sumbuvertikal serta torsi-kecepatan putar yang sangat fleksibel dan mudah dikontrol.[10]. Dalam menentukan koreksi drag pada pod digunakan persamaan berikut: 54
ΔR POD = ΔR BODY +Δ R STRUT + ΔR INT + ΔR LIFT ………………(1) dimana, R BODY , R STRUT , R INT dan R LIFT adalah komponen tahanan yang berkaitan dengan pod body, penopang pod, body-strut interface, dan efek daya angkat untuk mengaduk gerak aliran propeller secara berturut-turut. Untuk menghitung masing-masing komponen tahanan, digunakan rumus:
M X , Y , Z - components of the hydrodynamic moment on the pod a. R BODY 1 𝑅𝑅𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 = (1 + 𝑘𝑘𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 ) � 𝐶𝐶𝐹𝐹 𝜌𝜌 𝑉𝑉 2 𝑆𝑆�............(2) 𝑘𝑘𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 =
3
𝐷𝐷 2 1,5 � � 𝐿𝐿
2 𝐷𝐷 3 + 7 � � …................…..(3) 𝐿𝐿
dimana, S = luas bidang basah pod body (m2) L = panjang pod (m) D = diameter pod (m) C f = koefisien tahanan gesek ρ = massa jenis air laut (kg/m3) V = kecepatan kapal (m/s2)
Tabel 2. Standar Manuverabilitas Kapal oleh IMO (Resolusi MSC 137 (76) 2002) Data Reduction Equation V A/ n D
Performance Characteristics J – propeller advance coefficient KT – propeller thrust coefficient
T / ρn2D4
10K Q – propeller torque coefficient
10Q/ρn2D5
KF X – unit thrust coefficient, or Longitudinal force coefficient,
F X / ρn2D4
KF Y – transverse force coefficient
F Y / ρn2D4
KF Z – vertical force coefficient
F Z / ρn2D4
KM X – moment coefficient around x axis
M X / ρn2D5
KM Y – moment coefficient around y axis
M Y / ρn2D5
KM Z – moment coefficient around z axis (steering moment)
M Z / ρn2D5
Dimana ; ρ – water density V A - propeller advance speed, in the direction of carriage motion D – propeller diameter n – propeller rotational speed T – propeller thrust F X , Y , Z - components of the hydrodynamic force on the pod Q – propeller torque
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
b. R STRUT 1 𝑅𝑅𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = (1 + 𝑘𝑘𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 ) � 𝐶𝐶𝐹𝐹 𝜌𝜌 𝑉𝑉 2 𝑆𝑆�.........(4) 2 𝑘𝑘𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 2𝛿𝛿𝑠𝑠 + 60(𝛿𝛿𝑠𝑠 )4 ………………......(5) dimana, δ s adalah ratio ketebakan rata-rata dari strut dan S adalah luang bidang basah strut. c. R INT 1 𝑡𝑡 𝑅𝑅𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 = 𝜌𝜌𝑉𝑉 2 𝑡𝑡 2 𝑓𝑓 � 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 �….............…..........(6) 𝑡𝑡 𝑓𝑓 �𝐶𝐶𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
2
𝐶𝐶𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
𝑡𝑡
2
� = 𝐶𝐶𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 �17 �𝐶𝐶𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 � − 0,05�....(7) 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
55
dimana, t root adalah ketebalan maksimum pada strut root and C root adalah panjang penghubung pada setiap bagian. C ROUND a dalah faktor koreksi untuk berbagai fairing dan nilainyaberkisar dari 0,6sampai 1,0. 2.3. Persamaan Matematika Dalam menganalisis maneuver kapal melalui simulasi komputer, pemodelan matematika adalah penting untuk dikembangkan. Pada penelitian ini model matematika dikembangkan berdasarkan persamaan gerak kapal (3 derajat kebebasan), yaitu gerak surge, sway, dan yaw.
xG = jarak dari kemudi terhadap centre of gravity (CG) pada sumbu x Notasi dari u, v dan r adalah komponen kecepatan terhadap titik berat kapal (G), U adalah komponen resultan kecepatan kapal. selanjutnya X,Y dan N sebagai gaya dan momen hidrodinamika kapal. Gaya dan momen hidrodinamika tersebut dapat didefinisikan secara terpisah ke dalam berbagai fisik elemen gaya dan momen kapal sesuai dengan konsep yang dikembangkan MMG antara lain: X = X H +X R +X P Y = Y H +Y R +Y P N = N H +N R +N P
(9)
Dimana, H, P dan R adalah sebagai elemen lambung (hull), baling-baling (propeller), dan daun kemudi (rudder).
Gambar 5.Pod-strut geometry Menurut Ogawa dan Kansai (1987), persamaan matematika untuk analisis maneuver melalui simulasi komputer dikembangkan berdasarkan konsep MMG (Mathematical Modelling Group), persamaan matematika tersebut meliputi pengujian persamaan terpisah komponen lambung, propeller, dan kemudi serta komponen interaksi antara ketiganya (lambung-propeller-kemudi). Persamaan matematika gerak manuver kapal tersebut dapat diekspresikan sesuai sistem koordinat pada Gambar 7. X = m( u − vr ) Y=m( v + ur ) N = Izz ψ + xGY dimana : X = gaya pada gerak surge Y = gaya pada gerak sway N = gaya pada gerak yaw m = berat kapal Izz = momen inersia kapal
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
(8)
Gambar 6. Sistem koordinat kapal (Sumber: Practical Ship Hydrodynamics) 2.4. Gaya dan momen yang ditimbulkan lambung Persamaan gaya dan momen yang ditimbulkan lambung (X H , Y H dan N H ) pada prinsipnya adalah sebuah pendekatan dari regresi polynomial β dan r’. Selanjutnya koefisien dari persamaan tersebut dapat diistilahkan sebagai koefisien turunan hidrodinamika, persamaan tersebut dapat dinyatakan dengan (Persamaan 10 ) di bawah ini. 1 XH = ρLd 𝑈𝑈 2 �𝑋𝑋 ′ 0 + 𝑋𝑋 ′𝛽𝛽𝛽𝛽 . 𝛽𝛽 2 + 2
YH
=
�𝑋𝑋 ′𝛽𝛽𝛽𝛽 − 𝑚𝑚′ 𝑦𝑦 �𝛽𝛽. 𝑟𝑟 ′ + 𝑋𝑋 ′ 𝑛𝑛 𝑟𝑟 2 + 𝑋𝑋 ′𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽 . 𝛽𝛽 4 � 1 2
ρLd
𝑈𝑈 2 �𝑌𝑌 ′𝛽𝛽 . 𝛽𝛽 + +�𝑌𝑌 ′ 𝑟𝑟 −
𝑚𝑚′𝑋𝑋 ). 𝑟𝑟 ′ + 𝑌𝑌 ′𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽 . 𝛽𝛽 3 +
56
2
NH
=
3
𝑌𝑌 ′𝛽𝛽𝛽𝛽 . 𝛽𝛽 2 𝑟𝑟 ′ + 𝑌𝑌 ′𝛽𝛽𝛽𝛽 . 𝛽𝛽. 𝑟𝑟 ′ + 𝑌𝑌′𝑚𝑚 𝑟𝑟 ′ � 1 2
′
2
dimana:
K T = β Jp2 J P = Va
𝑋𝑋 ′𝛽𝛽𝛽𝛽 . 𝛽𝛽 2
ρLd 𝑈𝑈 + �𝑋𝑋 0 + 𝑋𝑋′𝛽𝛽𝑟𝑟−𝑚𝑚′𝑦𝑦𝛽𝛽.𝑟𝑟′+𝑋𝑋′𝑛𝑛𝑟𝑟2+𝑋𝑋′𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽𝛽.
𝛽𝛽4
nDp
dimana: β = α/(1-t)(1-w)2ρD2 Va = kecepatan air masuk (speed of advance)
(10)
dimana :
m x , m y : penambahan berat kapal (added mass)
β
tp
= koefisien pengurangan gaya dorong n= putaran propeller
: sudut belok kapal (drift angle)
r'
: perubahan sudut putar kapal per detik (turning rate) tanpa dimensi Selanjutnya komponen β dan diekspresikan dalam persamaan:
r
'
dapat
DP = diameter propeller K T = koefisien gaya dorong propeller wP = koefisien fraksi arus ikut propeller efektif
'
β = tan-1(v/u) dan r = r(L/U)
J P = koefisien angka maju
2.5. Gaya dan momen yang ditimbulkan propeller dan kemudi/pod
Selanjutnya gaya dan momen pada daun kemudi (
Propeller dan kemudi konvensional
X R , YR dan N R ) dapat dirumuskan sebagai berikut:
Menurut Adji, S.W (Engine Propeller Matching, 2005) untuk tahanan konstan, persamaan gaya dan momen yang ditimbulkan propeller dan daun kemudi kapal dapat diekspresikan berdasarkan persamaan, sebagai berikut:
X R = -(1- t R ) FN sin δ YR = -(1+ a H ) FN cos δ
(12)
N R = -( x R + a H x H ) FN cos δ
X P = KT ρ n2 Dp4 YP = 0 NP = 0
(11)
Tabel 3.Karakteristik umum maneuvering feasibility dari studi kasus double ended passenger ferry rute KarakoyKadikoy [12] (A: Baik, B: Rata-rata, C: Buruk)
Propulsion / Manoeuvering System
Karakoy arrival & departure Station Keeping in Bosphorus Crash Stopping Acceleration Break down of Forward Unit Directional Stability Turning Radius
Propeller Konvensional dan Kemudi (2x2) B
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
Propeller & High Lift Rudder (2x1)
Propeller Cycloidal (2x1)
Z-Drive (2x2)
A
A
A
C
B
A
B
B A A
B A B
A B B
A B A
A C
A B
C A
C B 57
dimana: δ = sudut kemiringan daun kemudi
x R = kedudukan posisi daun kemudi (=-L/2)
Persamaan matematika gerak manuverkapal dengan propulsi azimuth poddeddapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut :
t p tR aH , , dan x H = sejumlah koefisien gaya interaksi lambung, propeller dan daun kemudi. Gaya yang dihasilkan daun kemudi dapat dirumuskan sebagai berikut:
X = X H + X P XR= 0
1 FN = 2 ρ AR f a U R2 sin α R
N = N H + N P NR = 0
= luasan daun kemudi
fa
= koefisien gaya angkat daun kemudi, koefisien tersebut didefinisikan sebagai fungsi dari perbandingan chord dan span daun kemudi ( Λ )
f a =6,13 Λ /(2,25+ Λ )
(14)
U R dan α R = kecepatan masuk aliran fluida pada daun kemudi dan sudut kemiringan daun kemudi. Hubungan tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:
UR = u + v 2 R
2 R
− vR α R = δ – tan-1 u R
(15)
dimana:
uR
{ (
=
(
)
YR = 0
(13)
dimana:
AR
Y = YH + YP
)} + (1 − η )
u 1 + k 1 + 8 K T / πJ 2 − 1
dimana, H dan P adalah elemen lambung kapal (hull) dan baling-baling (propeller), sedangkan fungsi daun kemudi (rudder) digantikan oleh fungsi pod pada baling-baling. Susunan thruster 2x2 (gambar 6.a), [12]. T1pCos α1p + T2pCos α2p+ T1sCos α1s + T2sCos α2s = X Xp T1pSin α1p + T2pSin α2p+ T1sSin α1s + T2sSin α2s = Y Yp (18) (T1pSin α1pL) –(T2pSinα2p L) – (T1sSin α1sL) – (T2sSin α2sL) – (T1p Cos α1pb) –(T2p Cos α2pb) + (T1s Cos α1sb) + (T2s Cos α2sb) = N Np Dari persamaan (20) diatas, dapat ditentukan susunan thruster 1x2 (gambar 6.b) sebagai berikut: T2pCos α2p+ T2sCos α2s = X Xp T2pSin α2p+ T2sSin α2s = Y Yp (19) –(T2pSinα2p L) – (T2sSin α2sL) – (T2p Cos α2pb) + (T2s Cos α2sb) = N Np
ε(1-w)u
2
(16)
v R = γ R (v − rl R ) ε,k, γ R dan l R adalah sejumlah parameter kecepatan fluida yang melewati daun kemudi. 1-w dan η adalah fraksi arus ikut propeller efektif dan efisiensi efektif propeller DP / H adalah harga perbandingan diameter propeller dan tinggi daun kemudi. Azimuth Podded (Azipod)
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
}
(17)
Pada solusi gayathruster, gaya longitudinal dari thruster bagian depan diasumsikan mengambil 40% dari gaya X. Selanjutnya gaya dan momen pada pod-propeller dapat dirumuskan: Xpod = -(1 – tp) Yp Sinδ Ypod = -Yp Cosδ Ypod = -(xp + xH) Yp Cosδ dimana,: δ = sudut kemiringan propeller xp= kedudukan posisi propeller (-L/2) tP dan xH= sejumlah koefisien gaya interaksi lambung dan propeller.
58
2.6. Koefisien Hidrodinamika Menurut Yoshimura dan Ning Ma (2003), Adapun prediksi sejumlah koefisienturunan hidrodinamika gerak manuver kapal dilakukan berdasarkan metode semi-empirikal, sebagai berikut: Xo = koefisien tahanan kapal,
X ' ββ
= -0.35 + 0.8(
X ' βr − m' y
d em / B )
= {-0.46 + 2.5(
d em / B )} m' (20)
Y ' rrr = -0.04 + 0.055 τ ' d dimana, τ ' = trim/ em N 'β
=
N 'β 0
N 'β 0
=k
(1 – 0.9 τ ' )
N 'r = N 'r 0 N ' r 0 = -0.54k + k 2 N ' βββ
= 0.3
N ' ββ r
= -0.33 – 0.3 τ '
(22)
Gambar 7. (a) Sistem propulsi 2x2, (b) Sistem propulsi 1x2
X ' rr = 0.03 – 0.09 τ ' X ' ββββ d /B) = 2.7 – 6.0( em dan,
Yβ'
(1 + 0.6
k=2
)
= 0.5πk + 1.4Cb/(L/B)
Y ' r −m' x = (Y ' r −m' x ) 0 (0.4 + 1.8 τ ' 2 ) (Y ' r −m' x ) 0 = 0.5 Cb/(L/B) Y ' βββ
= 1.2
Y ' ββ r
= -0.5 + 1.4 τ '
Y ' βrr
= 0.34 + 0.26 τ '
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
= 0.01 + 0.02 τ '
N ' rrr = -0.02 τ '
d em = draught + false keel deepth Yβ' 0 τ '2
=
Y 'β 0
N ' βrr
(21)
d em / L , k (lateral aspect ratio of ship)
3. METODOLOGI 3.1. Lokasi dan Waktu Penelitian. Adapun tempat dan waktu penelitian dilakukan sebagai berikut : a. Lokasi Penelitian Penelitian dilakukan pada kapal KMP.SULTAN MURHUM yang beberapa waktu yang lalu direparasi di PT. IKI Makassar. b. Waktu Penelitian Penelitian dilaksanakan ± 1 bulan. 59
3.2. Jenis Data dan Teknik Pengambilan Data a. Jenis Data dan Sumber Data Jenis data yang diperoleh dapat dibagi dalam dua kategori, yaitu : a. Data primer / langsung, yaitu data yang diperoleh melalui hasil wawancara / interview dengan orang-orang yang berperan dalam pengolahan objek penelitian. b. Data sekunder / tidak langsung, yaitu data yang diperoleh melalui bahan-bahan tertulis dari sumber data, atau informasi lainnya yang erat kaitannya dengan penelitian. Data tahanan kapal menggunakan propulsi Azimuth Podded, yang memiliki perhitungan tambahan strut-pod geometry, maka diperoleh hasil perhitungan parameter ukuran utama kapal dan koefisien turunan hidrodinamika. 2. Teknik Pengolahan Data Teknik pengambilan data yang dilakukan,yaitu :
a. Studi Literatur Mengutip beberapa tulisan, artikel, atau beberapa literatur lainnya yang dikeluarkan oleh instansi atau individu yang terkait dengan penelitian ini. b. Simulasi Penelitian dilakukan dengan melakukan simulasi perhitungan dan gerak kapal menggunakan Matlab untuk mengetahui analisa kemampuan maneuver kapal yang dit. Performa Kapal pada Turning Circle Maneuver Test dengan Sudut Kemiringan Rudder yang diteliti pada kondisi even keel dan kondisi trim. Selain ituitu simulasi juga dilakukanuntuk mengetahui pengaruh jenis propulsi kapal terhadap performa turning circle test dan zig-zag manuver test yang selanjutnya ditarik suatu kesiampulan setelah dilakukan koreksi data perhitungan. Untuk lebih jelasnya kerangka pemikikiran tersebut dapat dilihat pada flowchart penelitian gambar 8. Mulai
a.Kemampuan Olah Gerak b.Azimuth Podded
Analisa Permasalahan
a.Mempelajari Propulsi Azimuth Podded b.Mempelajari perhitungan tahanan/propulsi
Studi Literatur
Pengumpulan Data
a.Data Dimensi Kapal b.Data Spesifikasi Propulsi
Pengolahan Data
Perhitungan Tahanan Analisa
Koreksi
Memenuhi
Kesimpulan & Saran
Selesai
Gambar 8. Flowchart kerangka pemikiran penelitian KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
60
DAFTAR PUSTAKA [1] Anonim, Ship Hydrodynamics, Lecture Notes of Propulsion Part, 1978. [2] Anonim, Buletin IMarE Edisi ke-38, Juli 2008, hal.4-5 (Sumber: MER, Edisi April 2008 – HR), 2008 [3] Eko Julianto Sasono, “PemakaianBalingBaling BebasPutar (Free Rotating Propeller) pada Kapal”. TEKNIK – Vol. 30 No. 2 Tahun 2009, ISSN 0852-1697 , 2009. [4] Victor M.Moreno and Alberto Pigazo, “Future trends in electric propulsion systems for commercial vessels”, Journal of Maritime Research. p.84, 2007. [5] Anonim, National Maritime Research Institute, Science of Ships and the Sea vol.4, 2004, p.42-45 [6] Naoki Ueda; Hajime Numaguchi, “(AP4):The First Hybrid CRP-POD Driven Fast ROPAX Ferry in the World”, 2005.
KAPAL- Vol. 11, No.2 Juni 2014
[7] Nicod, J.P. and Simon, P. “A. Step ahead in electric propulsion with Mermaid”. Proceedings of the All Electric Ship Conference AES’98), pp.43-47, 1998 [8] Pakaste, R., Laukia, R., Wihemson, M. and Kuus koski, J. Experiences of Azipod Propulsion systems on board merchant vessels. Proceedings of the All Electric Ship Conference(AES’98) , pp.223-227, 1998. [9] Mohammed F. Islam, Brian Veitch, and Pengfei Liu. “Experimental research on marine poddedpropulsors”. Journal of Naval Architecture and Marine Engineering : hal.58, (2007). [10] Rommel Pakolo. Pengaruh Luas Daun Kemudi terhadap Maneuvering KMP.Sultan Murhum, (2011). [12] Insel, M & Helvacioglu, I.H .Manoeuvrability Analisys of Double Ended Ferries in Preliminary Design.2007 [13] Hasbullah, Mansyur. Hybrid Contra Rotary Propeller (CRP) Azimuth POD sebagai Alat Propulsi Kapal yang Efektif dan Menguntungkan di Masa Datang’’. 2011.
61
