ANALISA PENGARUH VARIASI SUDUT RAKE, JUMLAH DAUN DAN PUTARAN PROPELLER TERHADAP THRUST DENGAN MENGGUNAKAN PENDEKATAN SINGLE ROTATING REFERENCE FRAME METODE (CFD) Oleh Muwafiqul Khoirul Afif 1) , Irfan Syarif Arief ST, MT 2) ,Ir. Toni Bambang M, PGD 2) 1)
Mahasiswa Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS 2) Dosen Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS
ABSTRAK Propeller merupakan bentuk alat penggerak kapal yang paling umum digunakan dalam menggerakkan kapal. Propeller memindahkan tenaga dengan cara merubah gaya putar dari balingbaling menjadi daya dorong untuk menggerakkan badan kapal dengan perantara massa air dengan memutar bilah-bilah yang bersumbu pada poros. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui hubungan antara thrust dan Sudut Rake terhadap aliran fluida pada propeller B-Series dan mengetahui seberapa optimum besar Sudut Rake pada propeller B-Series. Metode yang akan digunakan adalah Single Rotating Reference Frames, dimana dalam metode tersebut objek yang berbentuk solid yang dirotasi dalam hal ini adalah propeller. Dimana variabel yang divariasikan adalah sudut rake, jumlah daun dan putaran propeller. Kata kunci :propeller B-Series, reke, Single Rotating Reference Frames. 1. Pendahuluan Propeller merupakan bentuk alat penggerak kapal yang paling umum digunakan dalam menggerakkan kapal. Propeller memindahkan tenaga dengan cara merubah gaya putar dari baling-baling menjadi daya dorong untuk menggerakkan badan kapal dengan perantara massa air dengan memutar bilah-bilah yang bersumbu pada poros. Mekanikal propertis atau kekuatan merupakan hal terpenting dari propeller, mekanikal propertis tersebut dipengaruhi oleh material propeller dan desain dari propeller. Dalam mendesain propeller hal-hal yang perlu diperhatikan adalah propeller thrust, propeller torque, diameter propeller, putaran propeller, dan sudut rake. Perkembangan penelitian mengenai desain propeller pun sudah banyak dilakukan, diantaranya adalah penelitian mengenai analisa pengaruh variasi sudut rake propeller B-series terhadap distribusi aliran fluida dengan metode cfd (Wisnu Cahyaning Ati,2011), dalam penelitaian tersebut thrust terbesar dihasilkan oleh propeller B-Series 3 blade dengan sudut rake 5 pada putaran 3 RPS dengan nilai 750.13 kN. Sudut Rake propeller
merupakan sudut kemiringan antara Blade propeller dengan pusat baling-baling. Sudut Rake pada baling-baling dibuat untuk meningkatkan jumlah massa air yang dapat dihisap dan digunakan untuk mendorong kapal. Sudut Rake yang lebih progresif dapat menahan dan mengontrol air dengan lebih baik, sehingga meningkatkan gaya dorong (Thrust) ke belakang. Hal itu disebabkan sudut rake dapat mempengaruhi aliran air yang melewati propeller. Dalam penelitian tersebut variabel yang divariasikan adalah sudut rake yang akan mempengaruhi aliran air yang melewati propeller. Namun dalam penelitian tersebut menggunakan cfx, dimana dalam metode tersebut fluida yang dirotating sehingga dapat dianalisa propellernya kondisi tersebut tidak sesuai dengan kondisi sebenarnya dimana pada keadaan nyata propeller yang berputar dan mengalirkan fluida sehingga propeller tersebut menghasilkan daya dorong (thrust) yang digunakan untuk menggerakkan kapal, sehingga diperlukan analisa ulang menggunakan metode yang sesuai dengan kondisi nyata tersebut, metode yang akan
digunakan adalah Single Rotating Reference Frames. Single Rotating Reference Frames digunakanan untuk menganalisa bagian yang bergerak seperti (fan blades, hub permukaan poros,dll) yang berputar pada kecepatan sudut yang ditentukan dan dinding yang stasioner seperti (shroud,duct walls) yang berkaitan dengan sumbu rotasi, Oleh karena itu, dalam skripsi ini, penulis akan meneliti mengenai thrust propeller dengan metode computational fluid dynamics (cfd) dengan menggunakan model single rotating reference frame. Diamana variabel yang divariasikan adalah sudut rake, jumlah daun dan putaran propeller. 1.1 Rumusan Masalah Ada beberapa rumusan masalah dalam skripsi ini, diantaranya • Bagaimana hubungan antara Sudut Rake, jumlah daun dan putaran terhadap thrust? • Seberapa optimum besar Sudut Rake pada propeller tersebut? 1.2 Tujuan Tujuan penulisan skripsi ini adalah : • Untuk mengetahui hubungan antara Sudut Rake jumlah daun dan putaran terhadap thrust. • Untuk mengetahui besar Sudut Rake yang optimum pada propeller tersebut. 2. Tinjauan Pustaka 2. 1 Computational Fluid Dynamic (CFD) CFD merupakan analisa sistem yang melibatkan aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait lainya seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi komputer. Metode ini meliputi fenomena yang berhubungan dengan aliran fluida seperti sistem liquid dua fase, perpindahan massa dan panas, reaksi kimia, dispersi gas atau pergerakan partikel tersuspensi. Secara umum kerangka kerja CFD meliputi formulasi persamaan-persamaan transport yang berlaku, formulasi kondisi batas yang sesuai, pemilihan atau pengembangan kode-kode komputasi untuk mengimplementasikan teknik numerik yang digunakan. Suatu kode CFD terdiri dari tiga elemen utama yaitu pre-processor, solver dan post processor.
• Pre-processor Pre-processor meliputi masukan dari permasalahan aliran ke suatu program CFD dan transformasi dari masukan tersebut ke bentuk yang cocok digunakan oleh solver. • Solver Solver dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu finite difference, finite element dan metode spectral. • Post-Processor Post processing merupakan tahap visualisasi dari tahapan sebelumnya. Post processor semakin berkembang dengan majunya engineering workstation yang mempunyai kemampuan grafik dan visualisasi cukup besar. Dalam simulasi, model-model yang digunakan didiskretisasi dengan metode formulasi dan diselesaikan dengan menggunakan bermacam-macam algoritma numerik. Metode diskretisasi dan algoritma yang terbaik digunakan tergantung dari tipe masalah dan tingkat kedetailan yang dibutuhkan. 2.2 Pengertian Rake Propeller Ada berbagai istilah yang menggambarkan karakteristik propeller, salah satunya adalah rake. Propeller rake merupakan sudut kemiringan antara blade propeller dengan pusat propeller. Rake pada propeller dibuat untuk meningkatkan jumlah massa air yang dapat dihisap dan digunakan untuk mendorong kapal. Kebanyakan sudut rake dirancang relatif ke arah belakang terhadap generator line dari propeler.
Gambar 2.2.1 Rake Propeller
Rake propeller dibagi menjadi dua komponen generator line rake (i G ) dan skew induced rake (i s ). Rake total yang
berhubungan dengan didefinisikan sebagai:
directrix
(i T )
i T (r)=i s (r)+i G (r) Generator line dari rake diukur pada bidang xz pada gambar di bawah ini.
ketika dilihat secara normal ke bidang y-z. sehingga: i s = rθ s tan(rθ nt ) Sehingga ini memungkinkan untuk mendefiniskan fokus dari titik mid-chord dari blade propeler pada ruang yang mengikuti blade yang berputar right-handed yang pada awalnya didefiniskan, ϕ=0, di sekitar sumbu OZ pada rangka referensi global: (gambar 2.1.4) X c/2 = -[i G + rθ s tan(θ nt )] Y c/2 = -r sin(φ - θs) Z c/2 = r cos(φ - θs)
Gambar 2.2.2 a) Global reference frame b) Local reference frame
Dan atau juga dapat ditunjukkan sebagai jarak antara A dan B pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.2.4 Definisi rake total
Gambar 2.2.3 Garis referensi blade
Jarak tersebut paralel dengan sumbu x, dari direktriks ke titik di mana heliks dari bagian pada radius r memotong bidang x-z. untuk memahami skew induced rake dapat ditunjukkan pada gambar 2.1.3, yang mana menunjukkan “bagian yang terbuka” dari dua bagian silindrikal, satu sebagai pangkal propeler dan yang satu lagi pada radius r di antara ujung dan pangkal blade. Terlihat bahwa skew induced rake adalah komponen, yang diukur pada arah x, dari jarak helikal disekitar silinder dari titik mid-chord dari bagian tersebut ke proykesi dari direktriks
Sudut rake diukur dalam derajat. Rake dapat bernilai negatif (condong ke arah perahu), atau positif (condong menjauh dari perahu). Sudut rake yang lebih tinggi membantu meningkatkan kemampuan kapal untuk beroperasi dalam situasi air berudara (bergelembung) dengan menyebabkan air lebih melekat pada blade propeller. Gaya sentrifugal yang diciptakan baling-baling, melempar air ke luar dan semakin tinggi dan/atau propeller dengan rake yang lebih progresif dapat menahan dan mengontrol air dengan lebih baik, sehingga meningkatkan gaya dorong ke belakang. Sudut rake yang lebih tinggi juga dapat membantu mempertahankan posisi haluan kapal lebih tinggi di udara, mengurangi drag pada
lambung kapal dan meningkatkan kecepatan. Namun, propeller dengan sudut rake yang rendah dapat menjadi pilihan yang lebih baik bagi lambung kapal cepat karena dapat mengarahkan gaya dorong dengan drag yang lebih kecil dan meningkatkan efisiensi.
Dimana : ρ = massa jenis fluida ( Fluid Density ) D = diameter propeller n = putaran propeller Va = advanced speed T = thrust propeler Q = torque propeler Untuk nilai effisiensipropelerpada open water diberikan rumus:
Gambar 2.2.6 Blade tanpa rake
Hampir untuk semua aplikasi normal, blade vertikal adalah pilihan optimal. Propeller dengan rake condong ke buritan (rake aft) sering digunakan untuk “mencuri” sedikit diameter efektif tambahan pada situasi yang mendesak. Hal ini dikarenakan propeller yang memilik sudut rake lebih panjang sehingga lebih luas daripada blade vertikal dengan diamater yang sama. Sebagai tambahan, blade dengan sudut rake, yang memiliki ujung lebih jauh dari bagian belakang kapal, diperbolehkan memiliki diameter lebih besar. Blade dengan rake negatif biasanya didapati pada kapal dengan kecepatan sangat tinggi dan propeller yang diberi beban tinggi. Pada kasus ini, rake dapat membantu memperkuat blade. Banyak
propeller untuk kecepatan tinggi dipasang pada poros dengan sudut rake yang memadai. Karakteristik beban propeler dapat ditampilkan dengan grafik oleh beberapa koefisien dalam bentuk ukuran. Diagram memberikan Torque dan Thrust sebagai fungsi kecepatan. Karakteristik propeler terdiri dari koefisien Thrust (K T ), koefisien torque (K Q ), dan koefisien advanced (J). (K T ) =
(K Q ) =
T ρn 2 D 4 Q ρn 2 D 5
Va J= nD
η0 =
TVa 2πnQ
η0 =
JK T 2πK Q
setelah menyeleksi propeler, diagram dari open water dapat dipakai untuk menerjemahkan karakteristik tahanan kapal ke dalamkarakteristik beban propeler.Oleh sebab itu, pada perkiraan sebuah kurva tahanan dapat dikonversi sebagai berikut: Tahanan kapal ditentukan oleh rumus : R = α V2 atau R = 0.5 C f ρ S V s
2
Dengan nilai K = 0.5 C f ρ S, sehingga dapat ditulis : R = K Vs
2
Dimana berhubungan juga bahwa : R =T(1-t) dan Va = Vs(1-w) Sehingga :
Va T(1-t) = K 1 − w
2
didapat nilai T sebagai : T=
KVa 2 (1 − t )(1 − w) 2
Dimana : t = thrust deduction factor w = wake factor sesuai karakteristik propeler, nilai thrust adalah : T = K T ρ n2 D4 Sehingga : K T ρ n2 D4 =
KVa 2 (1 − t )(1 − w) 2
KT =
KVa 2 Va 2 (1 − t )(1 − w) ρD nD
Jika advance koefisien J =
2
Va nD
Maka didapatkan :
KVa 2 KT = [J ]2 2 (1 − t )(1 − w) ρD Sekarang tahanan kapal dapat diberikan sebagai hubungan K T dan J, dan saat hubungan tersebut digambarkan pada diagram open water, hubungannya dengan kurva K T akan memberikan titik operasional dari advance koefisien propeler (J), sehingga kita dapat menentukan koefisien torque dan efisiensi open water. 2.3 Propeller B-Series Propeller B-Series atau lebih dikenal dengan Wageningen merupakan propeller yang paling sering digunakan terutama pada kapal jenis merchant ship.Bentuk dari propeller B-Series sangatlah sederhana.Propeller ini mempunyai section yang modern dan karakteristik kinerja yang baik. Pada umumnya, propeller B-Series mempunyai variasi P/D 0.5 sampai 1.4 Z 2 sampai 7 0.3 sampai 1.05 A E /A 0 Di bawah ini adalah karakteristik dasar dari propeller B-Series • Berdiameter 250 mm dan RH/R 0.167 ( RH adalah jari-jari hub) • Memiliki distribusi radial pitch yang konstan • Sudut rake sampai 150 dengan distribusi rake linier • Kontur blade yang cukup lebar • Mempunyai segmental tip blade section dan aerofoil section pada jari-jari dalam
3. Hasil Analisa Berikut ini adalah hasil analisa dari pemodelan yang telah dibuat
(a) (b) Gambar 3.1 a) Kontur tekanan face pada blade 3 rake 15O b) Kontur tekanan back pada blade 3 rake 15O
(a) (b) Gambar 3.2 a) Kontur tegangan geser face pada blade 3 rake 15O b) Kontur tegangan geser back pada blade 3 rake 15O Tabel 4.1 Ringkasan Hasil analisa
RAKE
0
5
10
15
PROPELLER B-SERIES 3 BLADE THRUST TORQUE RPS (kN) (kNm) EFFISIENSI 1.8
567.51
156.07
0.7282
2.1
504.19
139.14
0.6219
2.4
430.57
119.45
0.5414
2.7
347.14
97.11
0.4772
3.0
253.89
72.14
0.4228
1.8
600.11
165.04
0.7281
2.1
547.32
151.01
0.6221
2.4
486.42
134.81
0.5419
2.7
417.38
116.44
0.4785
3.0
340.23
95.90
0.4262
1.8
625.77
172.09
0.7281
2.1
581.74
160.47
0.6222
2.4
530.95
147.05
0.5422
2.7
473.38
131.83
0.4793
3.0
409.05
114.81
0.4280
1.8
646.18
177.70
0.7281
2.1
608.96
167.95
0.6223
2.4
566.01
156.68
0.5425
2.7
517.33
143.90
0.4799
3.0
462.94
129.61
0.4291
Sedangkan untuk propeller 4 blade dan 5 blade, dianalisa dengan bentuk table yang sama denga propeller 3 blade di atas kemudian dibuat grafik.
Gambar 3.3 hubungan thrust dan rake blade tiga
Gambar 3.4 hubungan thrust dan rake blade empat
00 rake pada putaran 3 rps dengan nilai 253 kN. 4. Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi, analisa data, dan pembahasan yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Hubungan antara sudut rake dengan thrust berbanding lurus, semakin besar sudut rake maka thrust yang dihasilkan semakin tinggi. 2. Hubungan antara putaran dengan thrust pada kondisi (j) koevesien advanced berbeda berbanding terbalik, semakin tinggi putaran maka thrust yang dihasilkan semakin rendah. 3. Thrust terbesar terdapat pada propeller 3 blade 150 rake pada putaran 1.8 rps dengan nilai 646.18 kN. 4. Thrust terendah terdapat pada propeller 3 blade 00 rake pada putaran 3 rps dengan nilai 253 kN. 5. Pada propeller 3 blade sudut rake yang paling optimal adalah sudut rake 00 dengan effisiensi yang terbesar yaitu 0.7282 6. Pada propeller 4 blade sudut rake yang paling optimal adalah sudut rake 150 dengan effisiensi yang terbesar yaitu 0.7274 7. Pada propeller 5 blade sudut rake yang paling optimal adalah sudut rake 150 dengan effisiensi yang terbesar yaitu 0.7284 Daftar Pustaka [1] BBlades, 2011, BBlades Professional Propeller,
Gambar 3.5 hubungan thrust dan rake blade lima
Dari ketiga grafik di atas dapat dilihat bahwa thrust terus bergerak naik dari sudut rake 00 sampai 150 dengan nilai thrust terbesar pada propeller 3 blade 150 rake pada putaran 1.8 rps dengan nilai 646.18 kN. Sedangkan thrust terendah terdapat pada propeller 3 blade
[2] Carlton, J. S., 2007, Marine Propellers and Propulsion: Second edition. Elsevier Ltd. [3] Dave, Gerr, 2001, The Propeller Handbook: The Complete Reference for Choosing, Installing, and Understanding
Boat Propellers, Professional.
McGraw-Hill
[4] J. P. Ghose, R. P. Gokarn. 2004. Basic ship propulsion. Allied Publishers. [5] Propline, 2011, Propeller General Information,
[6] Schoenherr, K.E. 1963. Formulation of Propeller Blade Strength. SNAME Spring Meeting. [7] W.Adji, Surjo. 2005. Engine Propeller Matching. Surabaya. [8] Tugasakhir Syafiudin( 4206 100 051 ). 2010 [9] Tugasakhir M. FajarRosyadi( 4206 100 033 ). 2011 [10] Tugas akhir Wisnu Cahyaningati (4207 100 103). 2011
