RANCANGAN ALTERNATIF PROPELLER KOMPOSIT BAGI KAPAL IKAN TRADISIONAL

Seminar Nasional Teknik Mesin IV 30 Juni 2009, Surabaya, Indonesia

RANCANGAN ALTERNATIF PROPELLER KOMPOSIT BAGI KAPAL IKAN TRADISIONAL Ida Bagus Putu Sukadana1), I Wayan Suastawa2) Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bali 1,2) Bukit Jimbaran,Tuban, Badung 80714 Indonesia 1,2) Phone: +62- 361-701981, Fax: +62- 361-701128 1,2) E-mail : [email protected]), [email protected])

ABSTRAK Berdasarkan observasi di beberapa daerah pesisir yang merupakan sentra nelayan tradisional, semua unit kapal ikan jenis payang menggunakan sistem propulsi (penggerak) yang seragam, yang ditentukan berdasarkan “kebiasaan” bertahun-tahun dan ketersediaannya di pasaran. Propeller (baling-baling) yang digunakan berdiameter hingga 600 mm terdiri dari 3 daun dan berbahan logam. Propeller tersebut diproduksi secara massal, dengan desain seragam untuk berbagai jenis kapal sehingga belum tentu optimal untuk kapal ikan dengan bentuk lambung kapal spesifik. Material logam juga dikenal rentan terhadap korosi, apalagi untuk propeller yang beroperasi di dalam air laut. Akibatnya, nelayan seringkali direpotkan dengan penggantian propeller. Maka, teknologi yang tersedia saat ini memiliki karakteristik kurang mengadopsi teknologi tepat guna. Seiring dengan program pemberdayaan komunitas nelayan tradisional dan isu hemat energi, maka penyediaan teknologi tepat guna berupa propeller yang murah namun dapat diandalkan menjadi penting untuk diupayakan. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan prototipe propeller berbahan komposit melalui serangkaian proses perancangan. Penggunaan material komposit merupakan solusi yang layak untuk mengakomodasi kriteria propeller murah, tahan korosi, ringan dan mudah direparasi. Aspek hemat energi dipenuhi dengan mendesain geometri propeller optimal sedemikian rupa sehingga memiliki efisiensi yang cukup tinggi. Propeller harus mampu dioperasikan pada kisaran putaran kerja motor induk yang memerlukan konsumsi bahan bakar minimal, sehingga dapat mengurangi biaya operasional kapal. Bahan propeller komposit jauh lebih ringan daripada bahan logam, sehingga mampu mengurangi inersianya. Penelitian dilakukan di Pengambengan, Negara sebagai sentra pelabuhan ikan di Bali. Pengumpulan data sebagai basis perancangan dialukan dengan observasi terhadap keberadaan perahu nelayan dan propeller yang digunakan, pencatatan data utama serta wawancara dengan warga nelayan. Data utama yang diperlukan untuk mendapatkan parameter propeller yang optimal meliputi kecepatan kapal, spesifikasi motor induk dan sistem transmisinya serta parameter utama lambung kapal. Optimasi parameter utama propeller dilakukan dengan metode Kuiper berbasiskan torsi dengan bantuan piranti lunak PROPTIMA-Professional1. Analisa kekuatan daun propeller kemudian dilakukan dengan Cantilever Beam Method (CBM). Diagram open water propeller digunakan untuk analisis hidrodinamis, sedangkan prediksi kinerja propeller dilakukan dengan menerapkan prosedur prognosis kecepatan (speed prognosis). Hasil rancangan berupa propeller dengan parameter utama diameter (D) = 469 mm, rasio luasan daun (BAR) = 0,394, rasio kisar (P/D) = 0,784 dan jumlah daun (Z) = 3. Geometri propeller mengacu Wageningen B-series standar propeller. Analisis dengan CBM menunjukkan tegangan maksimum terjadi di pangkal bilah propeller (r=0,25R) sebesar 30,3 MPa. Berdasarkan tegangan maksimum yang terjadi, material komposit yang dipilih adalah berbasis E-Glass fiber dengan tegangan tarik maksimum yang diijinkan = 69 Mpa. Analisis terhadap kinerja hidrodinamis rancangan propeller menunjukkan efisiensi open water mencapai 0.64, 20% lebih tinggi daripada propeller terpasang di kapal. Pada putaran motor maksimum dengan rasio gear 1:3,22 propeller dapat mendorong kapal dengan kecepatan 8,5 knot. Kata kunci : propeller, kapal ikan, komposit

1

Proptima-Professional merupakan piranti lunak hasil karya mahasiswa Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 2005

42

Seminar Nasional Teknik Mesin IV 30 Juni 2009, Surabaya, Indonesia militer. Daunnya terbuat dari komposit yang dapat dilepas dari hub-nya yang terbuat dari logam. Pengembangan produk serupa dengan teknik penyambungan yang hampir sama diproduksi pula oleh Propulse AB Swedia, Pirhana Amerika dan Composite Marine Propeller Amerika. Semua produk tersebut ditujukan untuk kapal-kapal pesiar, militer, dan kapal niaga [5]. Belum satu pun desain yang ditemui mengarah khusus untuk kapal nelayan; modern maupun tradisional. Di Indonesia, teknologi serupa bahkan belum mendapatkan perhatian serius. Dalam konteks roadmap penelitian terkait, riset pendahuluan tentang propeller telah diawali dengan pengembangan data propeller bagi kapal cepat [6]. Hasil yang didapatkan berupa data-data karakteristik open water propeller kapal cepat, yang dapat dimanfaatkan dalam proses perancangan dan analisis kinerja hidrodinamis propeller kapal cepat. Analisis spesifik tentang analisis kinerja propeller Wageningen B-series serta aspek vibrasinya juga telah dilakukan [7]. Hasilnya menunjukkan bahwa Propeller seri Wageningen kurang optimum bagi kapal cepat, namun bagus untuk kapal berkecepatan rendah, seperti kapal ikan sebagai obyek penelitian ini. Meski berorientasi kapal cepat, namun metode penggunaan formula polinomial untuk menyatakan karakteristik open water propeller pada kedua penelitian dapat diterapkan pula pada desain propeller kapal ikan tradisional. Sehubungan dengan terbatasnya data tahanan (resistance) kapal ikan tradisional yang sangat diperlukan dalam tahap awal desain propeller, maka sebuah penelitian terkait telah dilakukan [8]. Hasilnya adalah data-data tahanan kapal ikan tradisional (jenis payang) pada kondisi beban kapal kosong. Akibat dimensi model yang digunakan dalam penelitian relatif kecil, maka data tahanan kapal pada kondisi beban kapal penuh yang dihasilkan kurang valid. Dengan berbasiskan beban kapal kosong tersebut, sebuah model propeller optimum bagi kapal ikan tradisional telah berhasil dirancang [9]. Detil geometri propeller dibangun dengan mengadopsi profil propeller standar Wageningen B-Series. Pembahasan mengenai metode perancangan dari proses optimasi geometri utama hingga pembuatan detil profil bilah akan dibahas pada makalah ini.

1. Pendahuluan Akibat kondisi pemodalannya, komunitas nelayan tradisional (yang tersebar hampir di sepanjang pantai Nusantara) lebih mengandalkan teknologi sederhana dan murah. Berdasarkan survei awal, propeller yang digunakan pada perahu nelayan tradisional kebanyakan berbahan besi tuang. Pertimbangannya, harganya relatif murah. Efek penggunaan propeller murah ini adalah resiko kurang kuat menahan beban, rentan terhadap benturan dan laju korosi yang lebih cepat. Perawatan dan penggantian propeller saat persiapan melaut adalah pemandangan yang umum di kapal ikan tradisional. Masyarakat nelayan tradisional memang lebih menyukai hal-hal praktis dan ekonomis, namun seringnya penggantian propeller justru dapat menjadi salah satu sumber pemborosan. Propeller berbahan komposit adalah salah satu alternatif yang patut dipertimbangkan. Dengan keunggulan rasio kekuatan terhadap berat yang cukup tinggi, material ini sangat cocok diaplikasikan pada perahu dan kapal-kapal kecil dengan beban propeller yang relatif rendah. Teknik pembuatan propeller dengan bahan komposit juga tidak serumit teknik yang dipakai untuk pembuatan propeller berbahan logam, sehingga dapat mengurangi ongkos produksi. Berdasarkan gagasan tersebut, maka penelitian ini bertujuan untuk merancang prototipe propeller berbahan komposit bagi kapal ikan tradisional jenis payang (purse seine), dengan batasan daya motor maksimum 30 HP dan kecepatan kapal maksimum 10 knot. Untuk mengakomodasi aspek hemat energi, maka rancangan prototipe harus mempertimbangkan parameter optimum yang menghasilkan efisiensi propeller maksimum. Dengan demikian, penelitian ini juga menganalis kinerja hidrodinamis prototipe untuk mengetahui tingkat efisiensi propulsi yang dihasilkan. Hasil penelitian diharapkan dapat memberikan manfaat antara lain pengembangan iptek di bidang propeller komposit, mengingat teknologi ini belum banyak dikembangkan dan diterapkan bagi armada kapal di Indonesia, serta pemberdayaan komunitas nelayan tradisional melalui penyediaan teknologi sederhana dan memperhatikan aspek hemat energi. Propeller berbahan komposit pada awalnya ditujukan untuk pesawat terbang (aerofoil) karena konstruksinya yang sangat ringan dibanding propeller logam [1]. Karena keunggulannya ini ditambah dengan sifatnya yang anti korosi, material komposit mulai dilirik untuk bahan propeller kapal, terutama yang berukuran kecil [2] hingga untuk kapal niaga [3]. Penggunaan material komposit untuk propeller kapal bukanlah hal yang baru. Salah satu produk propeller kapal berbahan komposit yang telah dikenal adalah ConturProp berbahan komposit serat karbon [4]. Propeller ini dikembangkan oleh AIR FertigungTechnologie GmbH sejak tahun 1993 dan mulai diproduksi massal pada tahun 1995 dengan pengguna kebanyakan merupakan kapal pesiar (yacht) dan kapal

2. Metodologi 2.1. Definisi Operasional dan Variabel Untuk menjelaskan substansi dan arah penelitian, maka beberapa terminologi yang digunakan dalam penelitian dijelaskan sebagai berikut. Propeller atau baling-baling adalah salah satu komponen utama dalam sistem penggerak kapal yang bekerja secara aksial untuk menghasilkan gaya dorong. Komposit yang dimaksud dalam penelitian ini adalah material yang tersusun dari serat dan matrik, dimana bahan serat adalah fiberglass dan resin

43

Seminar Nasional Teknik Mesin IV 30 Juni 2009, Surabaya, Indonesia sebagai matriknya. Kapal ikan tradisional adalah kapal yang digunakan untuk menangkap ikan di laut yang memiliki ciri khas tradisional antara lain lambung berbahan kayu, sistem propulsi dipasang di geladak (outboard) dan kapasitas maksimal 25 ton. Jenis kapal yang diteliti adalah kapal ikan payang. Variabel dan parameter yang terlibat dalam proses penelitian perlu didefinisikan. Variabel terdiri dari parameter yang diperlukan untuk data input rancangan yang bersifat variabel bebas serta yang dihasilkan dalam penelitian yang bersifat terikat. Variabel input meliputi : Kecepatan kapal (Vs) adalah kecepatan maju maksimum kapal pada kondisi beban kosong (dalam knot) Daya motor induk (PB) adalah daya nominal motor penggerak kapal (dalam kW) Rasio gear box (r) adalah perbandingan antara putaran motor induk dengan putaran propeller (-) Tahanan kapal (Rt) adalah hambatan total yang dialami lambung kapal saat bergerak maju pada kecepatan Vs (dalam kN) Wake fraction (w) adalah koefisien interaksi yang merupakan fraksi penurunan kecepatan kapal (-) Thrust deduction fraction (t) adalah koefisien interaksi yang merupakan fraksi penurunan gaya dorong (-) Variabel luaran terutama adalah beberapa parameter utama propeller, yaitu : Diameter propeller (D) adalah diameter cakram yang dibentuk daun propeller saat berputar (m) Jumlah daun (Z) adalah jumlah keseluruhan daun pada satu unit propeller (-) Rasio luasan daun (BAR) adalah perbandingan antara luasan total permukaan daun propeller dengan luasan cakram propeller (-) Rasio kisar (P/D) adalah perbandingan antara kisar rata-rata daun propeller terhadap diameternya Efisiensi propeller (ηo) adalah efisiensi propeller pada kondisi tanpa buritan kapal (open water).

uji tahanan (resistance test) yang telah dilakukan pada penelitian terdahulu [8] sedangkan karakteristik aliran buritan kapal diprediksi dengan metode Holtrop [10]. 2.3. Metode Pengolahan Data Optimasi parameter utama propeller dilakukan dengan metode Kuiper (1992) berbasiskan torsi [11] sebab menggunakan data input daya motor. Asumsi dan batasan yang dipakai pada proses ini adalah : • Propeller bekerja dalam kondisi kavitasi maksimum 2.5% back cavitation • Diameter maksimum propeller adalah 70% sarat kapal • Efisiensi transmisi sistem propulsi diasumsikan 98% • Geometri propeller mengacu standar Wageningen B-series Proses optimasi dilakukan dengan bantuan piranti lunak PROPTIMA-Professional. Program ini mengadopsi metode optimasi Kuiper yang diterjemahkan ke dalam bahasa pemrograman. Metode Kuiper pada dasarnya pemutahiran metode grafis dengan penerapan formula polinomial : t

=

KT

=

u

n n s n ⎛ P ⎞ ⎛ Ae ⎞ C ( J ) ( Z )vn ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ∑ n ⎝ D ⎠ ⎝ Ao ⎠ n =1

47

KQ

t

39

∑C n =1

n

(1)

u

n n ⎛ P ⎞ ⎛ Ae ⎞ v ( J ) sn ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ( Z ) n (2) ⎝ D ⎠ ⎝ Ao ⎠

dimana : J : koefisien kemajuan (speed of advance) Ae/Ao : rasio luasan daun propeller (BAR) P/D : rasio kisar Z : jumlah daun propeller Cn : konstanta regresi dan sn , tn , un , vn adalah pangkat polinomial [12]. Detil profil daun propeller dihitung berdasarkan standar Wageningen B-series dengan input 4 data parameter utama propeller yang telah dihasilkan melalui proses optimasi. Analisa kekuatan daun propeller kemudian dilakukan dengan cantilever beam method (CBM) sebagai langkah awal dalam menentukan ketebalan minimum daun propeller pada posisi kritis. Semua gambar rancangan yang berupa gambar teknik, gambar detail dan gambar kerja, dibuat berdasarkan metode Holst [13], dibantu dengan program AUTOCAD 2008 serta gambar model 3D, dibuat dengan program CATIA V5R7. Untuk memenuhi persyaratan rancangan yang mengakomodasi aspek hemat energi, maka dilakkan pula analisis kinerja. Karena pengujian hidrodinamis model propeller tidak memungkinkan, maka kinerja propeller dapat diprediksi dengan formula polinomial yang tersedia, dengan dukungan data kecepatan kapal, tahanan kapal, jumlah daun propeller, rasio kisar serta rasio luasan daun. Prediksi kinerja propeller dilakukan dengan menerapkan prosedur prognosis kecepatan

2.2. Metode Pengumpulan Data dan Sampelnya Proses optimasi parameter utama propeller memerlukan data input berupa kecepatan kapal, daya motor induk, rasio gear box, karakteristik tahanan kapal dan karakteristik aliran buritan kapal. Tiga data pertama didapatkan dengan pengumpulan data lapangan yang akan dilakukan di sentra nelayan pantai Pengambengan, Negara, Bali. Metode yang digunakan adalah observasi. Populasi data yang diambil berjumlah 10 kapal berbeda dengan kapasitas yang sama. Jenis kapal ikan yang dipilih adalah kapal payang. Data input kemudian ditetapkan dengan mengambil nilai rata-rata kecepatan kapal dan daya motor induk, sedangkan rasio gear box ditetapkan dengan mengambil nilai modusnya (karena besaran ini sangat terikat dengan spesifikasi yang beredar di lapangan). Karakteristik tahanan kapal didekati dengan hasil

44

Seminar Nasional Teknik Mesin IV 30 Juni 2009, Surabaya, Indonesia (speed prognosis) [12]. Hasilnya akan memperlihatkan efisiensi, koefisien thrust, koefisien torsi dan putaran kerja propeller pada perubahan kecepatan kapal.

dipilih dengan harapan kapal dapat mencapai kecepatan 8 knot dengan motor induk bekerja di bawah rating maksimumnya, sehingga dapat memperpanjang umur pemakaian motor dan menurunkan konsumsi bahan bakar spesifik. Proses optimasi berbasis torsi dilakukan dengan bantuan program PROPTIMA Professional. Program mengeluarkan dua hasil dengan kondisi berbeda. Hasil yang pertama mengindikasikan efisiensi propeller tertinggi yang dapat dicapai pada tahap akhir iterasi pertama. Hasil yang kedua merupakan lanjutan iterasi pertama, dimana parameter optimum BAR (atau Ae/Ao pada program) diiterasi kembali dengan koreksi terhadap efek kavitasi. Parameter lainnya dikoreksi untuk mencapai efisiensi propeller maksimum. Berikut perbandingan keduanya disajikan dalam bentuk tabulasi.

3. Hasil dan Pembahasan 3.1. Data Input Optimasi Sehubungan dengan ditemukannya variasi spesifikasi komponen sistem propulsi yang digunakan, maka diperlukan penentuan sebuah nilai untuk masingmasing parameter yang digunakan sebagai input perancangan propeller. Nilai variabel input ditentukan menurut trend data yang frekuensi penggunaannya paling tinggi. Hasil pengolahannya tercantum pada tabel 1. Data parameter propeller yang selama ini terpasang di kapal juga diambil sebagai bahan perbandingan hasil rancangan, dengan spesifikasi tercantum pada tabel 2.

Tabel 3. Hasil proses optimasi parameter propeller

Tabel 1. Hasil pengolahan data input No 1 2 3 4 Ket :

Data Kecepatan kapal Daya motor induk Putaran motor induk Rasio gear box

satuan knot HP rpm -

mod 8 30 3600 3,22

mean 8.50 28,12 3450 2,97

SD 0.63 2,5 200 0,28

Tabel 2. Spesifikasi propeller terpasang

Kisar (P) Rasio kisar (P/D) Rasio luas daun (BAR)

Dimensi 25 635 12 304.8 0,48 0,35

Z

BAR

P/D

ηo

D(m)

I II

3 3

0.35 0.394

0.77 0.784

0.645 0.640

0.482 0.469

Thrust (kN) 2.52 2.41

Setelah iterasi kedua, rasio luasan bilah propeller (BAR) harus ditingkatkan dari 0,35 menjadi 0,394 untuk antisipasi terhadap kavitasi. Hal ini mengakibatkan turunnya diameter optimum dan efisiensi open water. Pengecilan diameter justru menguntungkan dari segi material sedangkan penurunan efisiensi dalam hal ini tidak signifikan. Efek pengecilan diameter adalah turunnya gaya dorong (thrust) dari 2,52 kN menjadi 2,41 kN. Berdasarkan hasil penelitian Sukadana dan Husodo [8], pada kecepatan 10 knot gaya dorong yang diperlukan adalah sebesar 4,7 kN yang harus diatasi oleh dua unit propulsi. Untuk satu propeller, beban yang harus ditanggung adalah 2,35 kN. Dengan demikian, propeller dengan parameter optimum yang dihasilkan pada iterasi kedua masih memenuhi syarat secara teknis. Dapat dirangkum bahwa hasil dari proses optimasi parameter telah menghasilkan propeller dengan spesifikasi :

mod : frekuensi data yang paling sering muncul mean : rata-rata SD : simpangan baku Parameter Diameter (D)

Iterasi

satuan inch mm inch mm -

Berhubung kapal sejenis telah diteliti pada penelitian terdahulu [8] dimana data parameter badan kapal telah didapatkan, maka penelitian ini memanfaatkan data tersebut. Data yang dimaksud adalah : Sarat kapal (T) = 1,8 m Panjang kapal = 10,64 m Tinggi sumbu propeller diatas garis dasar=0,45 m

Z=3 D = 469 mm

Input data yang juga sangat mempengaruhi hasil adalah koefisien interaksi yang merefleksikan aliran yang memasuki daerah aliran propeller. Data ini berupa koefisien fraksi aliran (w=wake fraction) dan fraksi penurunan thrust (t=thrust deduction fraction). Nilai koefisien tersebut didapatkan dengan pendekatan formula regresi Holtrop [11]. Hasilnya adalah : w = 0,05 t = 0,0542

BAR = 0,394 P/D = 0,784

3.3. Pemodelan Daun Propeller Data parameter utama propeller yang telah ditetapkan dari proses optimasi selanjutnya diterjemahkan ke dalam bentuk rancangan detail berupa beberapa gambar. Gambar teknis dibuat untuk mengetahui spesifikasi detail bilah propeller, bentuk profilnya serta visualisasi bentangannya. Untuk membantu visualisasi geometri aktualnya, diperlukan transformasi ke model 3 dimensi. Untuk membantu pembuatan, diperlukan gambar pola elemen bilah (pattern drawing), yang menunjukkan detil ordinat dan ketebalan 10 posisi profil bilah. Basis utama semua gambar adalah detil dimensi

3.2. Optimasi Parameter Propeller Titik desain propeller ditentukan pada rating maksimum motor (20 kW pada 3600 rpm) berkorelasi dengan kecepatan kapal sebesar 10 knot. Strategi ini

45

Seminar Nasional Teknik Mesin IV 30 Juni 2009, Surabaya, Indonesia acuan yang berlaku, menurut International Towing Tank Convention 1978. Sumbu propeller (dan sekaligus merupakan sumbu porosnya) terletak pada sumbu X dengan tanda positif mengarah ke haluan kapal. Sumbu Y terletak pada bidang yang tegak lurus dengan sumbu X dengan tanda positif ke arah lambung kanan (starboard), untuk propeller dengan putaran searah jarum jam. Sumbu Y merupakan sumbu vertikal dengan tanda positif mengarah ke bawah. Menurut ketentuan tersebut, maka profil bilah digambar sepanjang sumbu Y dengan ketebalan mengarah ke sumbu X serta susunannya per radius terbentang sepanjang sumbu Z. Prototipe dirancang memiliki distribusi kisar yang konstan sepanjang kenaikan radius bilahnya. Dengan demikian, seiring kenaikan radius didapatkan sudut kisar yang semakin mengecil, sehingga bentuk daun propeller dari pangkal hingga ke ujung terkesan “terpilin” seperti tampak pada gambar 2.

setiap profil bilah pada 10 posisi ordinat radius propeller. Data geometri yang dimaksud diperoleh dengan input parameter utama propeller ke dalam formulasi geometri profil propeller Wageningen Bseries. Hasilnya tercantum pada tabel 4. Tabel 4. Geometri profil daun propeller r c a b t/D (mm) (mm) (mm) (mm) 0.2 46.90 100.59 61.96 35.20 0.041 0.25 58.63 106.71 65.47 37.35 0.038 0.3 70.35 112.84 68.95 39.49 0.036 0.4 93.80 123.19 73.79 43.12 0.031 0.5 117.25 130.58 76.13 46.36 0.027 0.6 140.70 134.65 75.13 52.38 0.022 0.7 164.15 133.54 70.24 59.02 0.017 0.8 187.60 131.01 63.02 62.62 0.012 0.9 211.05 102.06 40.83 51.03 0.008 0.95 222.78 72.50 15.50 37.79 0.005 Keterangan : r/R : posisi segmental elemen profil daun r : radius setiap profil daun c : chord, panjang profil a : jarak garis generator dari ujung depan profil b : jarak ketebalan maksimum dari ujung depan profil t : tebal maksimum profil r/R

t(mm) 19.04 17.94 16.84 14.63 12.43 10.22 8.02 5.82 3.61 2.51

Tabel 4 hanya menunjukkan ketebalan maksimum masing-masing profil. Distribusi ketebalan pada titik lainnya dibuat dengan tabel ordinat bagian muka dan punggung bilah setiap profil yang dimaksud. Dengan menghubungkan titik-titik ordinat muka dan punggung bilah, didapatkan bentuk profil yang diinginkan. Berikut gambar teknik model propeller dengan detil profil per elemen menunjukkan posisinya terhadap garis generator.

Gambar 2. Model 3 dimensi propeller, menunjukkan detil profil setiap posisi radius serta perubahan sudut kisarnya 3.4. Dimensi Boss Propeller Dimensi bos propeller ditentukan dengan menerapkan patokan dimensi oleh O’Brien [14]. Dimensi boss akan menentukan massa propeller keseluruhan sehingga akan berdampak terhadap momen inersia propeller. Momen inersia dapat mempengaruhi karakteristik getaran sistem propulsi. Dari sisi hidrodinamis, bos dengan dimensi yang terlalu besar juga akan berdampak negatif terhadap sifat aliran yang melewati bilah propeller. Dengan demikian, dimensi bos juga diupayakan sekecil mungkin, namun masih memungkinkan penempatan poros dan bilah propeller. Sesuai dengan dimensi dan geometri poros propeller yang memiliki taper 1: 10 pada bagian bos, maka bagian dalam bos juga disesuaikan. Rancangan bos yang ditetapkan adalah seperti terlihat pada gambar 3.

Gambar 1. Gambar teknik model propeller Gambar penampang depan daun propeller diatas menunjukkan ketebalan profil semakin menipis ke bagian ujung propeller, dimana bagian pangkal memiliki ketebalan maksimum. Hal ini dimaksudkan untuk antisipasi gaya sentrifugal yang bekerja disekitar 0,6R hingga 0,7R. Ketebalan maksimum setiap profil juga terdistribusi dari arah depan (leading edge) secara perlahan bergeser ke arah belakang (trailing edge). Distribusi ini dimaksudkan untuk mendapatkan titik pusat massa bilah mendekati garis sumbu vertikalnya. Untuk mendapatkan visualisasi prototipe yang sesungguhnya, diperlukan gambar 3 dimensi model. Gambar ini disusun sesuai dengan konvensi kerangka

46

Seminar Nasional Teknik Mesin IV 30 Juni 2009, Surabaya, Indonesia densitas 2075 kg/m3.

Visualisasi rancangan akhirnya dapat diperkuat dengan penyajian model 3 dimensi sebagai satu unit propeller. Pada tahap ini posisi sambungan bilah dengan boss-nya dapat diamati, seperti terlihat pada gambar 4.

3.6. Analisis Kinerja Propeller Propeller dirancang untuk dapat menyediakan gaya dorong yang cukup untuk mengatasi beban kapal pada kecepatan yang diinginkan. Di sisi lain, propeller juga dituntut untuk memiliki efisiensi yang cukup tinggi untuk mendapatkan sistem propulsi yang hemat. Analisis hidrodinamis dapat digunakan untuk mengungkap kemampuan ini, melalui analisis karakteristik open water propeller dan prognosis kecepatan. Semua proses ini juga dibantu PROPTIMA Professional.

Gambar 3.Sketsa dimensi bos propeller 3.5. Analisis Kekuatan Daun Propeller Analisis kekuatan dilakukan dengan metode yang paling sederhana, cantilever beam method (CBM). Perhitungan kekuatan hanya dilakukan terhadap elemen profil 0,25R, sebagai titik yang dianggap paling rawan. Sesuai dengan metode yang diberikan oleh Carlton [14] hasil yang didapatkan untuk elemen profil 0,25 R (r = 58,63) dirangkum sebagai berikut. 1. Massa satu bilah propeller = 0,351 kg 2. Modulus tarik penampang elemen = 3187 mm3 3. Gaya sentrifugal propeller = 556,7 N 4. Tegangan tarik maksimum (N/mm2) a. Komponen akibat gaya dorong = 19,7 b. Komponen akibat torsi propeller = 7,53 c. Komponen akibat momen sentrifugal : 2,67 d. Komponen akibat gaya sentrifugal : 0,42 sehingga tegangan maksimum yang bekerja pada elemen bilah 0,25R = (a+b+c+d) = 30,3 N/mm2. Hasil perhitungan di atas menunjukkan bahwa komponen akibat gaya dorong propeller mendominasi tegangan elemen bilah pada pangkal, disusul oleh komponen akibat torsi propeller. Hal ini menunjukkan kesesuaian dengan hasil analisis terhadap beberapa propeller yang digunakan pada beberapa tipe kapal dimana secara umum komponen gaya dorong memang mendominasi. Secara teoritis, hal ini disebabkan oleh posisi lengan momen gaya ini dari elemen bilah yang dianalisis terjauh yaitu 0.7R, dibandingkan dengan letak titik berat bilah (0.5R) atau lengan momen torsi (0.66R). Komponen gaya sentrifugal dalam kasus ini memiliki kontribusi tegangan yang relatif rendah. Hal ini dapat disebabkan oleh material yang digunakan berupa komposit memiliki densitas yang cukup rendah dibandingkan material logam. Mempertimbangkan tegangan maksimum yang timbul pada pangkal bilah propeller, maka material yang digunakan adalah komposit berbahan E-glass fiber yang memiliki kekuatan tarik maksimum sebesar 69 MPa dengan

Gambar 4. Visualisasi 3D model propeller Analisis dilakukan dengan menggunakan diagram open water propeller yang didapatkan dari formula polinomial propeller Wageningen B-series dengan input parameter optimum yang telah didapatkan. Sesuai dengan tujuan penelitian, maka parameter propeller yang telah digunakan selama ini juga dijadikan input sebagai bahan perbandingan. Nilai-nilai numerik yang dihasilkan PROPTIMA selanjutnya ditransfer dalam bentuk file EXCEL untuk dibuatkan diagram seperti terlihat pada gambar 5. Open water diagram

0.8 0.7

(ETA o)1

KT,10KQ,eta

0.6

(ETA o)2

0.5 0.4 0.3 0.2

(KT)2

0.1

(10KQ)1 (KT)1 (10KQ)2

0 0.01 0.12 ETA o : efisiensi open water KT : koefisien thrust

0.23

0.34

0.45

0.56

0.66

0.77

J

KQ : koefisien torsi

Gambar 5. Diagram karakteristik open water propeller hasil perancangan (indeks 1) dan terpasang (indeks 2)

47

0.88

Seminar Nasional Teknik Mesin IV 30 Juni 2009, Surabaya, Indonesia Output dari PROPTIMA adalah berupa tabulasi. Untuk memperjelas hasil, disajikan prognosis kecepatan dalam bentuk diagram berikut (gambar 6). Pada gambar 6, PBmotor menyatakan kurva rating nominal motor penggerak. PBprop merupakan kurva pembebanan propeller terhadap motor dan vs adalah kurva kecepatan kapal yang diprediksi dapat tercapai. Kurva kecepatan naik secara kontinyu dengan pertambahan putaran motor, dengan peningkatan ratarata 0,7 knot untuk setiap kenaikan 250 rpm. Pada putaran maksimum kecepatan kapal yang tercapai diprediksi sebesar 8,5 knot, masih memenuhi kecepatan dinas yang umumnya diinginkan yaitu 8 knot. Hanya saja, sesuai rancangan awal, kecepatan ini semestinya tercapai pada saat motor dioperasikan di bawah rating maksimumnya, misalnya 85% daya maksimum. Kekurangan ini ditengarai disebabkan oleh penentuan putaran propeller yang terlalu tinggi pada titik desain awal. Di sisi lain, karakteristik pembebanan propeller terhadap motor menunjukkan performa yang baik. Pada putaran kerja terendah, propeller hanya menyerap 30% daya motor. Pada putaran maksimum dengan masuknya beban propeller ternyata daya yang tercapai hanya 85% daya maksimumnya. Hal ini mengindikasikan pemilihan kisar (pitch) propeller yang telah cukup baik.

Kurva efisiensi open water menunjukkan bahwa propeller hasil perancangan memiliki nilai maksimum lebih tinggi daripada propeller terpasang. Efisiensi open water maksimum propeller hasil perancangan adalah 0.69 yang tercapai pada titik J = 0.68, sedangkan propeller terpasang hanya mampu menghasilkan efisiensi open water maksimum sebesar 0.53 pada titik J = 0.4. Secara teoritis, propeller hasil perancangan mampu memberikan efisiensi 30% lebih tinggi daripada propeller terpasang. Pada pengoperasian sesungguhnya, yakni pada kecepatan 10 knot dengan diameter rancangan sebesar 469 mm, maka titik operasi propeller berada pada J = 0.55. Jadi, efisiensi aktual yang dihasilkan propeller rancangan berada di bawah maksimumnya, yaitu sebesar 0.64. Di sisi lain, propeller terpasang dioperasikan pada titik J = 0.42. Dengan demikian, analisis terhadap kinerja propeller pada pengoperasian sebenarnya mengindikasikan bahwa efisiensi open water propeller hasil perancangan diprediksi 20% lebih tinggi daripada propeller terpasang. Dengan diameter 35% lebih besar, dapat dipastikan propeller terpasang memiliki kemampuan gaya dorong (thrust) yang lebih tinggi daripada propeller hasil perancangan. Namun, gaya dorong yang lebih tinggi ini, terkorelasi pula dengan tenaga/torsi motor yang lebih besar. Secara teoritis, hal inilah yang menyebabkan propeller terpasang lebih boros tenaga. Faktanya, dengan diameter sebesar 635 mm semestinya dioperasikan pada putaran yang lebih rendah (dengan mengganti gear pereduksi putaran) sehingga didapatkan efisiensi propeller yang lebih tinggi. Namun, menurut kajian yang telah dilakukan pada penelitian ini, dengan spesifikasi motor penggerak dan rasio gear yang digunakan, diameter 635 mm tidak optimum. Disamping tinjauan terhadap efisiensi, kinerja propeller dalam hal mengakomodasi kecepatan kapal yang diharapkan juga harus diketahui. Prognosis kecepatan dilakukan dengan teknik pencarian koefisien KT/J2 propeller yang setara dengan beban kapal, yaitu KT/J2 yang diturunkan dari tahanan kapal pada kecepatan tertentu. Koefisien KT/J2 propeller ditentukan dengan formula polinomial dengan input parameter optimum.

4. Kesimpulan Berdasarkan proses perancangan, didapatkan rancangan propeller dengan spesifikasi sebagai berikut : 1. Diameter : 469 mm 2. Jumlah daun : 3 3. Rasio kisar : 0,784 4. Rasio luasan daun : 0,394 5. Bentuk profil : Wageningen B-series Spesifikasi propeller diatas diaplikasikan untuk kapal dengan sistem propulsi spesifik sebagai berikut : • Rating maksimum motor : 20 kW pada 3600 rpm • Rasio gear penurun putaran : 1 : 3,22 Kajian terhadap kinerja hidrodinamis propeller menunjukkan hasil : • Efisiensi propeller yang dirancang adalah sebesar 0,64, 20% lebih tinggi daripada efisiensi propeller yang selama ini digunakan di kapal ikan obyek penelitian. Pada putaran maksimum motor induk, propeller diprediksi dapat menggerakkan kapal dengan kecepatan 8,5 knot. • Hasil evaluasi sementara terhadap propeller yang digunakan di kapal selama ini adalah diameter non-optimum untuk putaran kerja 1118 rpm (rasio gear 1:3,22)

speed prognose 25

vs :

PB motor 15

vs :

PB (kW) 10

7.7

vs :

20

4.2

vs : 4.7

vs : vs :

6.8

vs : 8.5

9 8 7 6

6.0

5

5.3

4

PB prop

Vs(knot)

3 2

5

1 0 2000

0 2250

2500

2750

3000

3250

3500

4. Ucapan Terima Kasih

n (rpm)

Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Politeknik Negeri Bali (PNB) sebagai pihak penyandang dana penelitian dan pembina P3M-PNB

Gambar 6. Prognosis kecepatan kapal dengan menggunakan propeller hasil perancangan

48

Seminar Nasional Teknik Mesin IV 30 Juni 2009, Surabaya, Indonesia atas saran-saran dan masukan selama proses penelitian ini, sehingga dapat diselesaikan dengan baik. Terima kasih pula bagi Sdr. Dudik Agus Cahyono; staf PT. PAL Indonesia dan mantan mahasiswa DIII Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya (PPNS-ITS); atas kegigihannya menuntaskan dan menyempurnakan program Proptima-Professional hingga dapat memberikan sumbangan bagi dunia perkapalan di Tanah Air. Semoga kerjasama PNB, PPNS-ITS dan PT. PAL Indonesia tetap terjalin erat.

11.

12.

13.

5. Daftar Pustaka 1.

Hakim, A., 2007, Teknologi Material Komposit. (http://www.forumsains.com/ Teknologi Material Komposit Forum Sains Indonesia.htm, last visited on Thursday, 03 April 2008) 2. Wozniak, C.D, ”Analysis, Fabrication and Testing of Composite Bladed Propeller for a Naval Academy Yard Patrol (YP) Craft”, Trident Scholar Report no.341, 2005, USNA 3. ACMC, 2008, Composites: the Alternative to Metal Propellers, (http://www.tech.plym.ac.uk/sme/composite propellers.htm, last visited on Thursday, 03 April 2008) 4. A Volonte, 2005, Move out of the “Bronze Age” and into the “Space Age”, (http://www.compositecarbonfibreprop.com/av olonte_brochure.htm, last visited on Wednesday, 11 March 2009) 5. Marsh, G., 2004, A New Start for Marine Propellers, (http://www.reinforcedplastics.com/features/5 3/marine/, last visited on Friday, 13 March 2009) 6. Sukadana, I.B.P, “Pengembangan Data Karakteristik Open Water Propeller Kapal Cepat”, Laporan Penelitian DIK, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, 2000 7. Sukadana, I.B.P., “Optimasi Desain Sistem Propulsi Tipe V pada Kapal Patroli”. Thesis Program Pasca Sarjana Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2001 8. Sukadana, I.B.P., dan Husodo, A.W., “Resistance Test Model Kapal Ikan Tradisional di Brondong”, Laporan Penelitian DUE-Like, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, 2002 9. Sukadana, I.B.P, dan Suastawa, IW., “Rancang Bangun Propeller Komposit pada Kapal Ikan Tradisional untuk Meningkatkan Efisiensi Propulsi”, Laporan Penelitian DIPA, Politeknik Negeri Bali, Denpasar, 2008 10. Holtrop, J.A., “Statistical re-Analysis of Resistance and Propulsion Data”, Jurnal

14.

49

International Shipbuilding Progress, Vol.31, 1984 Kuiper, G., The Wageningen Propeller Series, MARIN Publication, Netherland, 1992 Carlton, J.S., Marine Propellers and Propulsion, Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford, 1994 Mannen,J.D.Van, dan Oosanen, P.Van., 1988. “Propeller Design”, Principles of Naval Architecture 2nd revision, Volume II, 1988, hal. 183-213 O’Brien, T.P., The Design of Marine Screw Propellers, 3rd revision, Hutchinson &Co. Publisher, London, 1969