1
PERANCANGAN AIRSCREW PROPELLER UNTUK AIRBOAT CRAFT KAPASITAS 2 PENUMPANG DENGAN METODE PERHITUNGAN BLADE ELEMENT
*)
**)
Fitra Adi Hermawan *) Ir. Amiadji, MM, M.Sc **) Edi Jatmiko, ST, MT **)
Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS
Dosen Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS
ABSTRAK Di Indonesia, karya ilmiah atau penilitian mengenai aplikasi dan perancangan airscrew propeller airboat jumlahnya masih sedikit dan terbatas. Sehingga perlu dilakukan penelitian lebih lanjut sebagai salah satu upaya untuk mendukung perkembangan kegiatan rancang bangun airboat, baik itu untuk kepentingan industri maupun pendidikan. Dalam Tugas Akhir ini perancangan airscrew propeller dilakukan dengan metode perhitungan matematis dari teori blade element. Metode ini digunakan untuk menentukan dimensi fisik serta karakteristik propeller melalui proses perhitungan matematis sampai didapatkan karakteristik propeller yang paling optimal melalui proses iterasi pada beberapa variabel perhitungan. Data input untuk perhitungan propeller tersebut adalah diameter, jumlah blade, tipe airfoil, putaran maksimal, dan uniform geometric pitch propeller, dimana uniform geometric pitch ini nilainya divariasikan sampai dihasilkan output perhitungan berupa torsi propeller, thrust propeller, dan efisiensi propeller yang paling optimal. Sebelum sampai pada perhitungan propeller, di bagian awal dilakukan perhitungan terhadap tahanan atau gaya hambat karena hull (badan) airboat bergerak pada kecepatan maksimal, dimana direncanakan sebesar 25 knot. Selain kecepatan, variabel utama lain yang berpengaruh terhadap besarnya tahanan hull airboat adalah kapasitas penumpang, direncanakan maksimal untuk 2 penumpang. Dimana kapasitas penumpang ini akan menentukan besarnya dimensi hull, dan dimensi hull akan menentukan bentuk dan nilai tahanan hull. Selanjutnya nilai tahanan hull ini digunakan untuk menentukan besarnya kebutuhan gaya dorong untuk menggerakkan airboat sampai pada kecepatan maksimal yang telah direncanakan, dimana kebutuhan gaya dorong hasil perhitungan tahanan hull adalah sebesar 903,827 N. Dari perhitungan propeller pada uniform geometric pitch 0,457 m didapatkan nilai thrust sebesar 1746,689 N, dimana nilai ini memenuhi atau lebih besar dari kebutuhan gaya dorong hasil dari perhitungan tahanan hull airboat. Kemudian untuk torsi yang dihasilkan adalah sebesar 130,471 Nm dengan efisiensi propeller sebesar 0,783. Diketahui dimana pada uniform geometric pitch 0,457 m propeller memiliki efisiensi paling tinggi. Selanjutnya dilakukan proses penggambaran secara teknis bentuk fisik dari propeller sesuai dengan diameter, jumlah blade dan data perhitungan berupa sudut pitch airfoil pada kondisi uniform geometric pitch terpilih. Serta berdasarkan dimensi fisik lain hasil dari perhitungan planform propeller tipe airfoil terpilih. Kata kunci : Airfoil, Airscrew Propeller, Airboat, Teori Blade Element I. PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Airboat merupakan sebuah perahu yang memanfaatkan tenaga dorong hasil kerja atau
putaran propeller udara, biasa disebut airscrew propeller atau aircraft propeller. Reaksi fluida pada propeller tersebut berupa gaya dorong, dimana gaya dorong ini menyebabkan airboat dapat bergerak maju dengan kecepatan tertentu.
2
Airboat memiliki bentuk bagian bawah badan perahu yang flow-line dan flat-bottom sehingga memiliki olah gerak dan tingkat kestabilan yang baik, disamping itu airboat juga memiliki draft yang sangat kecil sehingga dapat dioperasikan pada daerah perairan yang sangat dangkal. Secara umum sistem propulsi airboat terdiri dari rudder, airscrew propeller dan prime mover dari jenis aircraft ataupun automotive engine, dimana propeller dan main engine dihubungkan oleh sistem shaft. Gerakan airboat dalam perairan tidak menimbulkan wake wash atau gelombang. Dengan kata lain, besarnya hambatan karena pengaruh gelombang air memiliki nilai yang sangat kecil, maka prioritas utama dalam desain dan pemilihan prime mover difokuskan pada hasil dari gaya dorong yang dihasilkan oleh putaran propeller untuk menggerakkan airboat dengan kecepatan tertentu dalam pengaruh hambatan udara dan hambatan gesekan air. Di Indonesia penelitian mengenai perancangan airscrew propeller khusus untuk aplikasi pada airboat jumlahnya masih sangat terbatas. Sehingga perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai perancangan dan aplikasi airscrew propeller tersebut pada airboat. Dalam Tugas Akhir ini perhatian akan dipusatkan pada perancangan airscrew propeller penghasil gaya dorong airboat. I.2 Perumusan Masalah 1.2.1 Permasalahan Permasalahan yang akan dianalisa dan diselesaikan dalam Tugas Akhir ini adalah bagaimana dengan material kayu dan bentuk airfoil yang sederhana didapatkan airscrew propeller dengan nilai thrust, torsi, dan efisiensi yang optimal melalui metode perhitungan blade element pada aplikasinya untuk airboat dengan kapasitas 2 penumpang. 1.2.2 Batasan Masalah Adapun batasan masalah yang diambil dalam perancangan airscrew propeller ini adalah : 1. Tidak melakukan desain hull atau superstructure airboat secara detail, desain
hull digunakan untuk mendapatkan dimensi utama dari airboat dan untuk melakukan perhitungan awal. 2. Air propeller pada kondisi ideal atau kondisi pada parameter yang telah ditentukan 3. Metode perhitungan yang digunakan adalah metode perhitungan dari teori blade element. 4. Perancangan sederhana.
untuk
bentuk
airfoil
5. Tidak ada perhitungan konstruksi dan berat propeller serta interaksi dengan hull. 6. Material yang digunakan adalah kayu. 1.3 Tujuan Tugas Akhir Tujuan akhir dari pengerjaan Tugas Akhir ini adalah : 1. Mendapatkan karakteristik torsi, thrust, dan efisiensi airpropeller untuk airboat 2 penumpang pada nilai yang paling optimal melalui metode perhitungan dari teori blade element. 2. Mewujudkan airpropeller hasil perhitungan tersebut ke dalam gambar teknik. 1.4 Manfaat Tugas Akhir Manfaat dari penulisan Tugas Akhir ini adalah : 1. Referensi akademik.
teknis
untuk
keperluan
2. Referensi teknis untuk keperluan penelitian ataupun pengembangan airboat khususnya mengenai desain airscrew propeller. II. METODOLOGI PERANCANGAN II.1 Studi Literatur Langkah awal adalah melakukan studi literatur untuk mendapatkan materi dan konsep dasar dari beberapa hal pokok berikut : 1. Konsep dasar airboat
3
2. Konsep dasar aerodinamika
Setelah melakukan modifikasi didapatkan data sebagai berikut :
3. Konsep dasar airpropeller
1. Displacement (ton)
4. Teori blade element 5. Aplikasi teori blade perancangan airpropeller
kemudian
element
pada
2. Volume (m3) 3. Draft to baseline (m)
II.2 Pengumpulan Data
4. Immersed depth (m)
Beberapa pokok materi dan data yang diperlukan sebagai penunjang dalam penyelesaian Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
5. Length of water line (m) 6. Wetted Surface Area (m2)
1. Airboat pembanding (untuk validasi)
7. Coefficient prismatic
2. Tipe dan planform airfoil
8. Coefficient block
3. Grafik atau tabel performa airfoil
9. Coefficient midship
4. Airpropeller pembanding (untuk validasi)
10. LCB from zero point (m)
II.3 Analisa Data
2.3.2 Perhitungan Tahanan Airboat
2.3.1 Desain Hull Airboat
Komponen Tahanan Airboat
Batasan Desain Hull
Komponen tahanan yang berlaku pada airboat adalah sebagai berikut :
Tujuan dilakukannya desain hull adalah untuk menentukan dimensi utama airboat yang sesuai dengan batasan desain berikut : 1. Hull untuk dua penumpang (2 pax). 2. Kecepatan maksimal airboat 25 knot. Tidak melakukan desain hull secara detail terhadap konstruksi, material, aksesoris, atau sistem tambahan lain pada hull. Input Data Desain Maxsurf Perancangan hull dilakukan pada software Maxsurf dengan melakukan modifikasi airboat pembanding pada template design, dengan memasukkan input data berikut :
1. Friction resistance (N) 2. Wind resistance (N) Metode Perhitungan Tahanan Airboat Metode yang digunakan untuk menghitung tahanan pada airboat yaitu perhitungan menggunakan rumus dari : 1. ITTC 1957. 2. Blendermann (1993, 1996). Data Input Perhitungan Tahanan Data yang diperlukan untuk melakukan perhitungan dengan metode tersebut adalah :
1. Length of water line (m)
1. Viskositas kinematis air laut (m2/s)
2. Beam (m)
2. Berat jenis air laut (m3/s)
3. Immersed depth (m)
3. Kecepatan maksimal airboat (m/s)
Output Data Maxsurf
4. Length of water line (m)
4
5. Wetted surface area (m2)
2. Perhitungan awal sudut θ dan α.
2.3.3 Desain Airpropeller Airboat Metode Perhitungan Airpropller Metode yang digunakan adalah perhitungan teoritis dari teori blade element. Perhitungan blade element adalah salah satu aplikasi dari teori momentum propeller. Perhitungan ini dilakukan untuk menganalisa dan mengetahui karakteristik serta performa tiap element airfoil penyusun blade propeller. Penentuan Tipe dan Planform Airfoil Menentukan tipe airfoil yang sesuai untuk airpropeller airboat, dimana kesesuaian tersebut didapatkan dari hasil pertimbangan terhadap beberapa parameter berikut : 1. Material yang digunakan.
Dimana nilai inflow factor aksial dan inflow factor rotasional diasumsikan terlebih dahulu untuk menentukan sudut serang awal untuk airfoil. Kemudian nilai awal untuk sudut serang ini digunakan untuk membaca grafik rasio koefisien lift – drag terhadap sudut serang airfoil pada angka reynold tertentu. 3. Perhitungan angka reynold tiap elemen airfoil. Perhitungan angka reynold untuk menentukan grafik rasio koefisien lift – drag terhadap sudut serang airfoil yang sesuai. 4. Pembacaan nilai kL dan kD tiap elemen airfoil. Penentuan nilai koefisien lift dan koefisien drag hasil pembacaan grafik atau tabel rasio koefisien lift – drag terhadap sudut serang airfoil.
2. Kesederhanaan bentuk airfoil. 3. Performa airfoil. Input data Perhitungan Blade Element
5. Perhitungan awal sudut γ elemen airfoil.
Beberapa data yang diperlukan sebagai input untuk melakukan perhitungan airpropeller berdasarkan teori blade element adalah sebagai berikut :
6. Perhitungan nilai inflow factor aksial. 7. Perhitungan nilai inflow factor rotasional.
1. Uniform geometric pitch – P (m).
8. Perhitungan efisiensi elemen airfoil.
2. Kecepatan maksimum aiboat - Vc (m/s).
9. Perhitungan akhir sudut sudut θ, sudut α dan sudut γ elemen airfoil.
3. Blade number – B.
10. Perhitungan koefisien torsi dan thrust elemen airfoil.
4. Diameter propeller – D (m). 5. Shaft revolution – n (rpm). 3
6. Massa jenis udara – ρudara (kg/m ). 7. Viskositas kinematis udara – v (m2/s). Perhitungan Blade Element Perhitungan blade element meliputi beberapa tahap perhitungan sebagai berikut : 1. Perhitungan airfoil.
kecepatan
linear
elemen
Setelah semua karakteristik tiap airfoil didaptakan kemudian dilakukan perhitungan terhadap koefisien torsi dan thrust elemen. 11. Integrasi nilai koefisien torsi dan thrust elemen airfoil. Dilakukan integrasi terhadap nilai koefisien torsi dan thrust tiap elemen untuk mendapatkan koefisien torsi dan thrust airpropeller. Integrasi menggunakan metode simpson.
5
12. Perhitungan torsi, thrust dan efisiensi airpropeller. 13. Perhitungan akhir adalah perhitungan torsi, thrust dan efisiensi airpropeller, setelah semua koefisien dan data tersebut diatas didapatkan. 2.2.4 Gambar Teknis Airpropeller Setelah didapatkan karakteristik airpropeller yang optimal berdasarkan pada proses perhitungan diatas maka langkah selanjutnya adalah mewujudkan planform airfoil ke dalam sebuah gambar teknik, sesuai dengan diameter dan jumlah blade yang telah diketahui dan ditentukan sebelumnya. Penggambaran dilakukan dengan bantuan software AutoCAD. 2.2.5 Pemilihan Main Engine Langkah selanjutnya adalah menentukan main engine yang sesuai dengan kebutuhan daya airboat. Dimana daya yang dikeluarkan main engine tersebut digunakan untuk mengoperasikan atau memutar propeller sehingga propeller tersebut mampu menghasilkan thrust untuk mendorong airboat sampai pada batas kecepatan maksimal yang telah ditentukan. Selain parameter kebutuhan daya, parameter lain yang harus menjadi pertimbangan dalam pemilihan main engine adalah putaran poros serta torsi maksimal dari main engine. II.3 Kesimpulan dan Saran Ditarik beberapa kesimpulan sesuai dengan konsepsi dan hasil perhitungan pada analisa data. Kemudian dikaji apakah hasil akhir tersebut sudah sesuai dengan batasan masalah dan tujuan yang telah dipaparkan pada bab pendahuluan
maksimal untuk 2 penumpang. Dimana kapasitas penumpang ini akan menentukan besarnya dimensi hull, dan dimensi hull akan menentukan bentuk dan nilai tahanan hull. Selanjutnya nilai tahanan hull ini digunakan untuk menentukan besarnya kebutuhan gaya dorong untuk menggerakkan airboat sampai pada kecepatan maksimal yang telah direncanakan, dimana kebutuhan gaya dorong hasil perhitungan tahanan hull adalah sebesar 903,827 N. Dari perhitungan propeller pada uniform geometric pitch 0,457 m didapatkan nilai thrust sebesar 1746,689 N, dimana nilai ini memenuhi atau lebih besar dari kebutuhan gaya dorong hasil dari perhitungan tahanan hull airboat. Kemudian untuk torsi yang dihasilkan adalah sebesar 130,471 Nm dengan efisiensi propeller sebesar 0,783. Diketahui dimana pada uniform geometric pitch 0,457 m propeller memiliki efisiensi paling tinggi. III. 2 Pemilihan Airfoil Selanjutnya dilakukan proses komparasi dilakukan dengan bantuan software Profili 2.21 untuk mempermudah penyajian dalam bentuk grafik dan tabel. Beberapa input data yang diperlukan adalah tipe airfoil yang akan dikomparasi, yaitu Clark Y, RAF 6, dan NACA 4412. Tujuan dari analisa komparatif adalah untuk mendapatkan nilai koefisien gaya angkat paling tinggi diantara ketiga tipe airfoil tersebut pada panjang chord, sudut serang (angle of attack) dan angka Reynolds yang sama. Grafik komparasi yang telah disajikan oleh software Profili 2.21 adalah sebagai berikut :
III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN III.1 Desain Hull dan Perhitungan Tahanan Airboat Perhitungan terhadap tahanan atau gaya hambat karena hull (badan) airboat bergerak pada kecepatan maksimal, dimana direncanakan sebesar 25 knot. Selain kecepatan, variabel utama lain yang berpengaruh terhadap besarnya tahanan hull airboat adalah kapasitas penumpang, direncanakan
Gambar 4.1 Grafik cL dan cD
6
D
= 1,300 m
Tipe airfoil Tipe airfoil yang dipilih adalah RAF 6 Putaran propeller – n
Gambar 4.2 Grafik cL cD – α
Putaran propeller diusahakan semaksimal mungkin menghasilkan kecepatan tangensial airfoil pada bagian tip dibawah nilai kecepatan tip maksimal yang masih diijinkan untuk propeller kayu yaitu 220 m/s. n
= 2100 rpm
Uniform geometric pitch – P P1
= 0,457 m
P2
= 0,460 m
P3
= 0,463 m
P4
= 0,466 m
P5
= 0,469 m
P6
= 0,472 m
Jumlah blade –B Gambar 4.3 Perbadingan bentuk aifoil RAF 6, CLARK Y, dan NACA 4412 Dari pembacaan grafik tersebut diketahui RAF 6 memilki nilai koefisien gaya angkat yang paling tinggi. Pertimbangan lain RAF 6 memiliki bentuk yang paling sederhana, dimana pada bagian bawah chord cenderung rata dan pada umumnya sesuai jika digunakan sebagai elemen propeller berbahandasar kayu.
B
=2
Densitas udara – ρudara Pada suhu sekitar 15oC ρudara
= 1,226 kg/m3
Viskositas kinematis udara – v Pada suhu sekitar 15oC
III.3 Perhitungan Blade Element
v
3.3.1 Input data
Perhitungan kecepatan linear elemen airfoil.
Diameter – D
Melakukan perhitungan terhadap kecepatan linear tiap elemen.
Diameter ditentukan semaksimal mungkin sesuai dengan batasan yang telah disebutkan diatas, serta disesuaikan dengan lebar hull airboat dan ketersediaan ruang Vtr0,30 = 42,883 m/s
Vt
= 1,51·10-5 m2/s
= 2·π·n·r
Nilai Vt untuk tiap elemen adalah sebagai berikut : Vtr0,45 = 64,324 m/s
7
Vtr0,60 = 85,765 m/s
α
Vtr0,75 = 107,207 m/s
Sehingga nilai angle of attack untuk setiap elemen dari beberapa variasi uniform geometric pitch adalah berbeda.
Vtr0,90 = 128,648 m/s Diketahui kecepatan pada bagian tip propeller yaitu pada r0,90 adalah 128,648 m/s, kecepatan ini masih dibawah kecepatan maksimal yang diijinkan untuk propeller kayu yaitu sebesar 220 m/s. Perhitungan awal sudut θ dan sudut α. Menghitung sudut pitch dan angle of attack untuk setiap elemen pada nilai inflow factor aksial dan inflow factor rotasional hasil asumsi. Nilai asumsi tersebut mengacu pada buku E. Lo Houghton & PW Carpenter, Aerodynamics for Engineering Student.
=θ-Ф
Perhitungan angka Reynold tiap elemen airfoil. Menghitung angka Reynold di setiap elemen, dimana angka ini nantinya akan digunakan untuk mendapatkan nilai kL dank D pada grafik kL/kD – α. Rn
= VR·c/v
Dimana : VR
= (1+a2)·ω·r·secФ
Pembacaan nilai kL dan kD tiap elemen airfoil.
Kemudian nilai awal untuk angle of attack ini digunakan untuk membaca grafik rasio koefisien lift – drag terhadap sudut serang airfoil pada angka Reynold tertentu.
Penentuan nilai koefisien lift dan koefisien drag hasil dari pembacaan grafik atau tabel rasio koefisien lift dan koefisien drag terhadap sudut serang airfoil (tabel terlampir).
Asumsi awal untuk inflow factor axial dan inflow factor rotational adalah sebagai berikut :
Perhitungan awal sudut γ elemen airfoil.
a1
= 0,1
a2
= -0,02
Nilai ini akan dianalisa lebih lanjut pada tahap perhitungan berikutnya. Sudut θ dinyatakan sebagai sudut antara bidang rotasi propeller dengan garis referensi airfoil (chord), ditentukan oleh persamaan berikut : θ
= arctan (P/2·π·r)
Dimana r adalah radius atau jarak elemen ke hub. P adalah uniform geometric pitch, nilai ini divariasikan. Sudut ф adalah sudut diantara bidang rotasi dan kecepatan resultan V R, dan ditentukan oleh persamaan : Ф
= arctan((1+a1)/(1+a2))·(Vc/Vt)
Angle of attack α pada setiap airfoil dinyatakan dengan persamaan berikut
Kemudian nilai koefisien lift dan koefisien drag tersebut digunakan untuk menghitung sudut γ. Dimana : γ
= arctan(kD/kL)
Sudut γ di setiap elemen pada beberapa variasi nilai uniform geometric pitch adalah berbeda. Perhitungan nilai inflow factor axial (a1) dan rotational (a2). Nilai inflow factor axial (a1) dan rotational (a2) dihitung di setiap angka Reynold yang berbedabeda sesuai dengan perhitungan sebelumnya. Dari buku Applied Aerodynamic karya Bairstow, interval nilai angle of attack ditentukan terlebih dahulu sesuai dengan kebutuhan, dimana nilai sudut Ф yang sesuai untuk beberapa nilai atau posisi angle of attack tersebut sudah diketahui. Hasil perhitungan inflow factor axial (a 1) dan rotational (a2) ini kemudian ditabulasikan. Nilai angle of attack yang sudah diketahui untuk setiap elemen pada perhitungan sebelumnya kemudian diinterpolasi sesuai dengan data hasil tabulasi tersebut diatas untuk mengetahui
8
nilai inflow factor axial (a1) dan rotational (a2) di setiap nilai sudut tersebut. a1/(1+a1)
= (λ1/2π)·(c/r) (cosec2ϕ)·(kLcosϕ-kDsinϕ)
nilai sudut α hasil perhitungan terakhir pada grafik kL/kD – α maka akan didapatkan kembali nilai kL dan kD yang baru untuk kemudian digunakan sebagai input data pada perhitungan koefisien torsi dan thrust di setiap elemen airfoil.
a2
= -a1·tan(ϕ+γ)/(ω·r/V)
f(α)
V/ω·r
= 1/((1+a1)/(tanϕ))+(a1·tan(ϕ+γ))
Nilai koefisien thrust dan torsi di tiap elemen dihitung dengan formula berikut :
Dimana nilai adalah konstan untuk semua tipe airscrew propeller dan berlaku pada semua variasi kondisi operasi. Dari buku Applied Aerodynamic karya Bairstow nilai adalah sebesar : = 0,35 Selanjutnya melakukan perhitungan efisiensi di setiap elemen airfoil sesuai dengan inflow factor axial (a1) dan rotational (a2) hasil perhitungan di atas. η
= (V/ω·r)/tan(ϕ+γ)
Tujuan dari perhitungan efisiensi ini adalah untuk mengetahui range nilai angle of attack setiap elemen yang menghasilkan efisiensi paling optimal. Perhitungan ini dapat digunakan untuk mengevaluasi range nilai angle of attack dari perhitungan sebelumnya. Apabila range nilai tersebut sudah masuk dalam range optimal pada perhitungan efisiensi elemen ini, maka perhitungan dapat dilanjutkan dengan melakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai inflow factor axial (a 1) dan rotational (a2) pada nilai angle of attack perhitungan awal. Perhitungan akhir sudut sudut θ, sudut α dan sudut γ elemen airfoil. Setelah mendapatkan nilai a1 dan a2 dari hasil perhitungan maka langkah selanjutnya adalah menghitung kembali nilai sudut θ, sudut α, dan sudut γ elemen airfoil dengan metode yang sama seperti pada perhitungan awal. Perhitungan koefisien torsi dan thrust elemen airfoil. Nilai sudut γ dan sudut Ф di setiap airfoil sudah diketahui untuk beberapa variasi nilai uniform geometric pitch. Kemudian dengan memplotkan
= kL·cosФ – kD·sinФ/cos(Ф+γ)
QC
= f(α)·(r/D)·sin(Ф+γ)
TC
= f(α)·cos(Ф+γ)
Integrasi nilai koefisien torsi dan thrust elemen airfoil. Dilakukan integrasi terhadap nilai koefisien torsi dan thrust tiap elemen untuk mendapatkan koefisien torsi dan thrust airscrew propeller. Hasil integrasi koefisien torsi dan thrust adalah luasan dibawah kurva koefisien torsi dan thrust sepanjang r/D. Sesuai dengan persamaan berikut : QCblade =
QC d(r/D)
TCbladde =
TC d(r/D)
Perhitungan airpropeller.
torsi,
thrust
dan
efisiensi
Kemudian dapat dihitung besarnya thrust, torsi dan efisiensi airscrew propeller pada beberapa nilai uniform geometric pitch. Qprop
= ρ·n2·D4·B·QC
Tprop
= ρ·n2·D5·B·TC
ηprop
= Tprop·VC/2·π·n·Qprop
Pada nilai uniform geometric pitch sebesar 1,50 ft (0,457 m) diketahui airscrew propeller memiliki efisiensi yang paling tinggi. Dapat diketahui juga bahwa thrust yang dihasilkan oleh airscrew propeller sudah mampu mendorong airboat dengan kecepatan maksimal yaitu sebesar 25 knot. Sebelumnya diketahui kebutuhan gaya dorong untuk mengatasi gaya hambat airboat adalah sebesar 903,827 N, nilai ini jauh lebih kecil daripada gaya dorong maksimal yang dapat dihasilkan oleh airscrew propeller tersebut, yaitu
9
sebesar 1746,689 N. Airscrew propeller airboat ini selanjutnya dirancang berdasarkan pada kondisi dan parameter tersebut. III.4 Pemilihan Motor Penggerak Airscrew Propeller Diketahui dimana kebutuhan gaya dorong adalah sebesar Rtotal
= 903,827 N
dimana gaya tersebut diperlukan untuk mengatasi hambatan dan menggerakkan airboat hull sampai pada batas kecepatan maksimal sebesar VC
= 12,861 m/s
maka daya minimal yang harus disediakan oleh motor untuk menggerakkan airboat hull sampai pada batas kecepatan maksimal tersebut adalah sebesar Phull
= Rtotal·VC = 903,827N·12,861m/s = 11624,12 watt = 15, 588 hp
Untuk memutar propeller dengan putaran maksimal sebesar n
= 2100 rpm
Sehingga propeller mampu menghasilkan gaya dorong sebesar Tprop
= 1746,689 N
dengan torsi maksimal yang dihasilkan sebesar Qprop
= 130,4715 N
Maka kebutahan daya minimal motor yang diperlukan untuk memutar propeller sampai pada putaran maksimal tersebut adalah P
= 2·π·n·Qprop = 2·π·35rps·130,4715Nm = 28692,17211 watt
= 38,47683 hp Dengan allowance sebesar 15% maka kebutuhan daya total menjadi sebesar Paktual
= 38,47683hp/0,85 = 45,26686 hp
Diketahui nilai gaya dorong yang dihasilkan oleh propeller tersebut masih lebih besar daripada nilai total kebutuhan gaya yang diperlukan untuk mengatasi gaya hambat dan menggerakkan airboat sampai pada batas kecepatan maksimal. Pertimbangan lain dalam pemilihan motor adalah torsi maksimal dari propeller tidak boleh lebih besar daripada torsi yang dihasilkan oleh motor. III.5 Perhitungan Gambar Airscrew Propeller Posisi outline masing-masing airfoil diketahui dari tabel koordinat. Posisi outline digunakan untuk menggambar bentuk airfoil. Persentase panjang chord airfoil dinyatakan pada sumbu absis, sedangkan letak sisi upper dan lower diwujudkan pada sumbu ordinat. Setelah semua airfoil terbentuk, kemudian airfoil tersebut diposisikan sesuai dengan jaraknya masing-masing dari sumbu propeller (terlampir). IV. KESIMPULAN DAN SARAN IV.1 Kesimpulan 1. Sebelum sampai pada perhitungan propeller, di bagian awal dilakukan perhitungan terhadap tahanan atau gaya hambat karena hull (badan) airboat bergerak pada kecepatan maksimal. Dimana direncanakan airboat dapat bergerak sampai pada kecepatan maksimal sebesar 25 knot. 2. Selain kecepatan, variabel utama lain yang berpengaruh terhadap besarnya tahanan hull airboat adalah kapasitas penumpang. Airboat direncanakan untuk 2 penumpang. Dimana kapasitas penumpang ini akan menentukan besarnya dimensi hull, dan dimensi hull akan menentukan bentuk dan nilai tahanan hull. Dari perencanaan hull airboat pada software
10
Maxsurf didapatkan dimensi utama panjang garis air Lwl sebesar 3,25 m, lebar pada garis air Bwl sebesar 1,1 m, dan draft T sebesar 0,25 m. 3. Selanjutnya nilai tahanan hull ini digunakan untuk menentukan besarnya kebutuhan gaya dorong untuk menggerakkan airboat sampai pada kecepatan maksimal yang telah direncanakan, dimana kebutuhan gaya dorong hasil perhitungan tahanan hull adalah sebesar 903,827 N. Nilai tahanan ini adalah penjumlahan dari dua komponen gaya hambat yang terjadi pada airboat. Dua komponen tersebut adalah friction resistance (gaya hambat karena gesekan dengan fluida air) dimana hasil dari perhitungan didapatkan nilai sebesar 885,156 N, dan wind resistance (gaya hambat karena gesekan dengan udara) dimana dari hasil perhitungan didapatkan nilai sebesar 18,671 N. 4. Data input yang diperlukan untuk melakukan perhitungan propeller dengan metode blade element adalah sebagai berikut : Data input yang tidak divariasikan : a. Diameter propeller (D) Ditentukan D sebesar 1,3 m. Ditentukan berdasarkan batasan terhadap lebar hull airboat. Diusahakan untuk mendapatkan panjang maksimal sesuai dengan batasan lebar hull tersebut. b. Jumlah blade propeller (B) Ditentukan B sebanyak 2 blade. Diusahakan seminimal mungkin untuk mempermudah proses pembuatan serta memperkecil beban kerja dari propeller akibat berat yang dimiliki oleh propeller itu sendiri. c. Tipe airfoil propeller Dipilih airfoil dari jenis RAF 6. Dimana airfoil ini memiliki nilai kL/kD paling tinggi dibandingkan dengan Clark Y dan NACA 4412 pada angka reynold yang sama. Pertimbangan lain karena RAF 6 memiliki bentuk yang paling sederhana. d. Putaran maksimal propeller (n) Diusahakan semaksimal mungkin dan harus dibawah nilai kecepatan tip maksimal yang masih diijinkan untuk propeller berbahan dasar kayu yaitu sebesar 220 m/s (kecepatan tangensial maksimal pada bagian tip). Ditentukan
putaran propeller maksimal sebesar 2100 rpm. Data input yang divariasikan : a. Uniform geometric pitch propeller (P) Dimana uniform geometric pitch ini nilainya divariasikan sampai dihasilkan output perhitungan berupa torsi propeller, thrust propeller, dan efisiensi propeller yang paling optimal. Dimana perhitungan menggunakan variasi untuk nilai P1 0,457 m, P2 0,460 m, P3 0,463 m, P4 0,466 m, P5 0,469 m, P6 0,472 m. 5. Diketahui dimana pada uniform geometric pitch P1 0,457 m propeller memiliki efisiensi paling tinggi yaitu sebesar 0,783. Dari perhitungan propeller pada uniform geometric pitch P1 tersebut didapatkan nilai thrust sebesar 1746,689 N, dimana nilai ini memenuhi atau lebih besar dari kebutuhan gaya dorong hasil dari perhitungan tahanan hull airboat. Kemudian untuk torsi yang dihasilkan adalah sebesar 130,471 Nm. 6. Pada uniform geometric pitch P1 0,457 m diketahui dari hasil perhitungan akan menghasilkan nilai angle of attack yang paling mendekati nol untuk setiap airfoil. Diketahui sesuai dengan perhitungan effisisensi elemen airfoil pada nilai angle of attack 0 o akan menghasilkan nilai efisiensi yang paling tinggi. Selain itu, sesuai dengan tabel kL dan kD pada angle of attack 0o - 2o setiap airfoil propeller akan menghasilkan perbandingan kL/kD paling tinggi. 7. Pertimbangan utama dalam pemilihan main engine atau motor penggerak adalah kebutuhan daya untuk menggerakkan propeller sampai menghasilkan thrust sesuai dengan perhitungan. Dari pemilihan main engine didapatkan main engine dengan daya maksimal 51 hp (Kohler Diesel KDW2204), diketahui kebutuhan untuk menggerakkan propeller agar dapat beroperasi sampai menghasilkan thrust dan putaran maksimal adalah 45,267 hp. Kemudian pertimbangan lain dalam pemilihan adalah putaran dan torsi yang dihasilkan oleh main engine. Dari hasil pemilihan main engine tersebut didapatkan torsi maksimal sebesar 144 Nm dengan putaran maksimal sebesar 3000 rpm. Torsi ini diketahui masih lebih besar
11
daripada torsi yang dihasilkan propeller, sehingga main engine masih dapat mengatasi beban yang diperlukan untuk mengoperasikan propeller sampai dapat berputar pada putaran maksimal. Diketahui putaran propeller masih dibawah putaran main engine. Untuk menghasilkan putaran pada nilai 2100 rpm diperlukan reduction gear dengan ratio sekitar 1:4 IV.2 Saran 1. Perlu dilakukan analisa khusus mengenai pemilihan airfoil untuk airscrew ropeller. Melalui analisa matematis, analisa dan pengujian pada terowongan angin, ataupun analisa dan pengujian secara virtual melalui software CFD. 2. Perlu dilakukan analisa terhadap kekuatan material propeller secara lebih mendalam. 3. Perhitungan blade element adalah langkah awal dari sebuah proses produksi airscrew propeller. Perhitungan ini digunakan untuk menentukan dimensi fisik airscrew propeller. Dimana propeller tersebut memiliki performa atau karakter yang dianggap layak dan memadai sesuai dengan batasan dan variabel perhitungan yang relevan. Selanjutnya dalam proses produksi perlu dilakukan analisa lebih detail, meliputi pengujian pada terowongan angin ataupun analisa melalui software CFD untuk mengetahui performa sesungguhnya. DAFTAR PUSTAKA Herbert Schneekluth & Volker Bertram, Ship Design for Efficiency and Economy, ButterworthHeinemann, London. Sv. Aa. Harvald, Tahanan dan Propulsi Kapal, Airlangga University Press, Surabaya E. Lo Houghton & PW Carpenter, Aerodynamics for Engineering Student, Butterworth Heinemann, London. L.M Milne Thomson, Theoretical Aerodynamics, Dover Publications Inc., New York. L. Yun & A. Bliault, Theory and Design Air Cushion Craft, John Wiley & Sons Inc., New York.
Ira H. Abbott, Theory of Wing Sections, Dover Publications Inc., New York. E. Lo Houghton & PW Carpenter, Aerodynamics for Engineering Student, Butterworth Heinemann, London. Clifford Matthews, Aeronautical Engineer’s Data Book, Butterworth Heinemann, London. Jenkinson, L. R, Aircraft Design Projects, John Wiley & Sons Inc., New York. Frank M. White, Fluid Mechanics Second Edition, Erlangga, Jakarta.
