Judul ditulis dengan ukuran 12 dicetak tebal

ANALISA PENGARUH BENTUK FOIL SECTION NOZZLE TERHADAP
EFISIENSI PROPULSI PADA KAPAL TUNDA
Triyanti Irmiyana
*)
*)
Ir. Surjo W. Adji, M.Sc.
**)
Ir. Amiadji M.M., M.Sc.
**)
Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS
**) Dosen Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS
Tugs are boats that can be used to maneuver / movement to pull or push other ships in the harbor, sea or by river
or canal. To maximize the performance of the propeller on a tugboat tugboat add speed or add impetus to the manufacture
of a nozzle propeller is the propeller. The purpose of this thesis analyzes the effect of distance and diameter of the
accelerating duct in front of the propeller by using the CFD approach to obtain data on the optimization of its thrust and
lift-based dimensional computerized duct. With more advanced technology then be made solutions to improve
effectiveness in driving the ship, and one of them is to give a shell-shaped structure (duct) at propeller is called the
technology "Ducted Propellers" and with this technology given , in many scientific articles described to increase the
efficiency of propulsion. The purpose of this thesis is the analysis Accelerating effect of section foil nozzle by using CFD
approach in getting the data so that the optimization of the thrust and lift him by the dimension of ducts with computer.
Keywords : Propeller, duct, Trust, Lift.
1. Pendahuluan
1.1. Latar Belakang
Kapal tunda adalah kapal yang dapat digunakan untuk melakukan manuver /
pergerakan untuk menarik atau mendorong kapal lainnya di pelabuhan, laut lepas atau
melalui sungai atau terusan.
Gambar 1
Kapal Tugboat
Pada perancangan sebuah kapal laut diharapkan gaya dorong yang dihasilkan
oleh sistem propulsi yang terpasang mampu mengatasi beban tahanan yang akan
dialami oleh kapal guna mendapatkan efisiensi propeller dan kecepatan service yang
direncanakan.
Untuk memaksimalkan kinerja propeller pada tugboat yaitu menambah
kecepatan tugboat atau menambah dorongan propeller adalah dengan pembuatan
nozzle pada propeller.
Dalam hal ini, maka diadakan suatu penelitian yang menjadikan dasar Skripsi
yang nantinya dapat diketahui perbedaan yang nyata antara bentuk-bentuk profile
nozzle dan Kaplan yang ada.
1
Metode yang digunakan untuk penyelesaian permasalahan di atas
menggunakan bantuan program komputer sehingga didapatkan momen putar kapal
tunda untuk masing-masing jenis propulsi yang disebutkan di atas.
1.2 Perumusan Masalah
Agar analisa menghasilkan ouput yang sempurna maka perlu diketahui
perumusan masalah, dalam hal ini yaitu :
• Jenis Bentuk foil section Nozzle
• Tipe Propeller Kaplan
• Bagaimana kalkulasi Nozzle dan kaplan?
• Type Nozzle dan kaplan mana yang menghasilkan efisiensi tertinggi?
1.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah yang diambil dalam menyelesaikan skripsi ini adalah:
1. Dimensi propeller yang digunakan adalah sama untuk setiap desain.
2. Analisa pengaruh fluida dilakukan pada kondisi open water.
1.4. Tujuan
Berdasarkan batasan masalah yang diambil dalam menyelesaikan skripsi ini adalah :
•
Mendesain bentuk foil section Nozzle.
•
Mendesain bentuk propeller tipe Kaplan.
•
Memvariasikan desain foil section dari Nozzle dan propeller tipe Kaplan.
•
Menganalisa tingkat efisiensi propeller tipe Kaplan dan nozzle.
1.5 Manfaat
Meningkatkan kinerja system propulsi kapal tunda dengan
mengembangkan desain foil section untuk nozzle dan kaplan.
2.
mereview
dan
Tinjauan Pustaka
2.1 Kapal Tunda
Faktor-faktor yang menentukan performa dari kapal tunda antara lain sebagai
berikut :
1.
Stabilitas kapal tunda
2.
Berat kapal tunda
3.
Daya main engine (bollard pull)
4.
Tipe propulsi
5.
Letak propeller, menentukan besarnya gaya tarik
6.
Metode untuk membantu kapal yang lebih besar
2
2.2 Ducted Propeller
Ducted propeller merupakan kombinasi dari sebuah airfoil melingkar dan sebuah
impeller. Karena kecepatan nozzle pada impeller lebih besar atau kurang dari
kecepatan propeller dengan Va dan diameter yang sama, maka Gaya positif atau
negative yang bekerja pada nozzle tergantung dari bentuk nozzle dan kondisi
beroperasi. Nozzle dapat menyalurkan daya lebih efisien daripada propeller unducted
pada kecepatan rendah dan menghasilkan daya dorong yang lebih besar. System
Ducted propeller juga disebut pumpjet.
Gambar 2.1 Ducted Propeller
Pada ducted propeller, kecepatan aliran meningkat, mengurangi tekanan. Hal
ini akan menurunkan daya dorong dan torsi propeller. Pada saat yang sama, sirkulasi
terjadi. Karena itu memiliki dorongan yang positif. Hal ini mengurangi tekanan propeller,
clearance antar propeller kecil, mengurangi pusaran di ujung propeller, dan
meningkatkan efisiensi. Bollard bisa meningkat hingga 30 %.
Gambar 2.2
Sirkulasi Ducted Propeller
dT=Thrust ; dL = Lift ; pu:Negativepressure ; po: Positive pressure
2.2.1
Propeller Kaplan
Banyak diskusi yang memilih propeller B-series untuk ducted
propeller. Namun, banyak penelitian yang membuktikan bahwa propeller
B-series lebih rentan terhadap kavitasi dibandingkan propeller Kaplan. Serta
propeller Kaplan tidak beresiko terhadap efisiensi dan kavitasi.
3
Gambar 2.3 Jenis Propeller Kaplan
Gambar 2.4
2.2.2
Propeller Kaplan dalam Nozzle
Nozzle
Pemilihan bentuk profil nozel dan panjang nozel tergantung
persyaratan tentang efisiensi, bahaya dari pemisah aliran pada nozzle, serta
kavitasi pada nozel dan propeller. Pemisah aliran terjadi jika nozzle dibebani
sangat berat. Akibatnya daya isap nozel akan meningkat, propeller akan
beroperasi pada aliran tinggi yang tidak beraturan, sehingga efisiensi system
akan menurun.
Gambar 2.5 Tipe Nozzle
Sesuai dengan type aliran, Ada 2 jenis nozzle, yaitu :
1. Accelerating Nozzle
Pada aliran accelerating, nozzle berfungsi untuk menigkatkan
efisiensi propeller. Nozzle menghasilkan daya dorong positif.
4
Tabel 1 Keterangan Nozzle no 2-8,10 dan 11
2. Decelerating Nozzle
Type aliran decelerating nozzle digunakan untuk menaikkan tekanan statis
pada propeller. Duct akan menghasilkan daya dorong negative. Nozzle mungkin
digunakan jika hambatan kavitasi propeller diinginkan.
Tabel 3
2.4
Keterangan Nozzle No 30-36
Software Computational Fluida Dynamic
Computationa Fluid Dynamic (CFD) merupakan analisa sistem yang mencakup
aliran fluida, perpindahan panas dan fenomena yang terkait, seperti reaksi kimia
dengan menggunakan simulasi berbasis komputer (numeric).Program CFD yang
digunakan disini adalah sebagai alat bantu pemodelan atas konfigurasi propeler dan
nozzle yang akan dianalisa. Selanjutnya dilakukan modifikasi bentuk atau variasi,
dimulai dari pitch propeller, dan panjang nozzle. Dari pemodelan ini nantinya akan
diperoleh data efisiensi terbaik dari pengujian.
2.4.1
Persamaan Dasar Dinamika CFD
Pada dasarnya semua jenis CFD menggunakan persamaan dasar
(governing equation) dianmiak fluida yaitu persamaan kontinuitas, momentum dan
energi.
5
2.4.2
Teori Dinamika Fluida
Dalam desain kerjanya, problem yang ada perlu dideskripsikan ke dalam
software CFD dengan menggambarkan model yang dianalisa, sifat-sifat fluida
yang ada di sekitar model dan juga penentuan kondisi batasnya. Selanjutnya
dalam solver problem yang ada akan dihitung dengan pendekatan persamaan
yang tersedia. Dari hasil perhitungan kemudian didapatkan hasil output dari
running program CFD. Code Computational Fluid Dynamic di sini terdiri atas tiga
elemen utama yaitu :
a.
Pre Procesor (CFX Build)
Pada tahap awal pemograman ini, terdiri dari input masalah aliran untuk
CFD melalui interface, kemudian mengubahnya menjadi bentuk yang sesuai
dengan format yang dikehendaki oleh bagian solver. Analisa masalah aliran
yang berupa kecepatan, tekanan, atau temperatur didefinisikan sebagai suatu
daerah yang berupa simpul-simpul tiap cell. Jumlah cell dalam grid (mesh)
menentukan akursi penyelesain CFD. Pada umumnya semakin banyak cell
semakin akurat penyelesaiannya. Daerah yang memiliki perubahan bentuk
yang sangat tajam, biasanya proses meshing dilakukan dengan sangat halus,
sedang untuk daerah yang lain dilakukan agak kasar.
b. Solver
Solver dapat dibedakn menjadi tiga jenis, yaitu finite difference, finite
element, dan finite volume.
c.
Post procesor (visualize)
Pada step ini akan ditampilkan hasil perhitungan yang telah dilakukan
pada tahap sebelumnya. Hasil perhitungan dapat dilihat berupa data numerik
dan data visualisasi aliran fluida pada model.
6
3 METODOLOGI PENELITIAN
Flowchart Penyelesaian Tugas Akhir
Start
Identifikasi & Perumusan Masalah
Studi Literatur
Pembuatan Model & Variasi
Kaplan
Nozzle
Pengujian Model dengan Metode CFD dan Mencatat
Hasil
Tahap Analisa Data & Penyelesaian
Validasi
Hasil Bisa Diterima
Kesimpulan & Saran
Selesai
Gambar 3.1.
4.
Flowchart Penyelesaian Tugas Akhir
Analisa Data dan Pembahasan
4.1
Penggambaran Propeller Kaplan
Gambar 4.1
Model Propellr Kpalan
7
4.2. Penggambaran Nozzle
Gambar 4.2
Surface Ducted Propeller
4.3 Simulasi
4.3.1 Preprocessing
Preprocessing merupakan langkah untuk membuat sebuah model menjadi
model yang dapat diterjemahkan oleh software simulasi cara ini dapat dilakukan
dengan memberikan mesh pada model tersebut. Langkah Pre-Processor merupakan
langkah awal dimana bahasa pemprograman design model akan diterjemahkan oleh
Solver Manager. Model akan dibentuk sedemikian rupa sehingga terdapat beberapa
bagian untuk memberikan batasan-batasan aliran fluida yang dijalankan dan
membuat model menjadi suatu objek yang akan dialiri fluida.
Dalam tahap ini obyek yang telah dibentuk kemudian diberikan kondisi batas
dan kondisi dari fluida yang akan mengalir dalam kondisi batas tersebut untuk dapat
dianalisa. Kondisi batas (boundary) ini berupa inlet (saluran fluida masuk), outlet
(saluran keluar) dan wall (dinding pembatas). Sedangkan pada fluida (dalam progam
CFD biasanya dikenal sebagai domain) adalah berupa air dengan beberapa
parameter tertentu.
Gambar 4.3 Domain pada Kort Nozzle
4.3.2
Solver Manager
Solver Manager adalah langkah kedua bagian dari CFD Progam, dimana pada
langkah ini berfungsi sebagai penerjemah file dalam format .def menjadi format .res
yang selanjutnya dapat diterjemahkan oleh Post-Processor. Pada progam solver ini
CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing.
8
Dalam progam solver semua parameter yang telah dimasukkan akan diolah
pada progam ini. Proses perhitungan/iterasi harus menentukan kriteria konvergensi
yang
akan
dihitung.
Yang
dimaksud
dengan
konvergensi
adalah
kesalahan/perbedaan antara tebakan awal dan hasil akhir dari iterasi yang dilakukan
oleh solver manager.
4.4 Analisa Data dari Proses Simulasi
Berdasarkan refrensi skripsi sebelumnya, diketahui diketahui bahwa gaya lift dan
thrust pada propeller dengan diameter 0.8Daf dan 0.9Daf di belakang duct lebih besar dari
pada gaya lift pada propeller dengan diameter 0.8Daf tanpa duct. Ini dikarenakan tekanan
efek penguatan dari bentuk dimensi duct sehingga aliran yang masuk dari tepi dinding duct
ikut mendorong aliran fluida yang tidak bersinggungan dengan dinding duct, dan oleh karena
itu tekanan yang dihasilkan meningkat, jadi tekanan yang diterima oleh permukaan face
propeller.
Sedangkan bahwa kecepatan aliran fluida setelah melewati propeller dengan
diameter 0.8Daf dan 0.9Daf di belakang duct lebih besar dari pada kecepatan aliran fluida
setelah melewati propeller dengan diameter 0.8Daf maupun 0.9Daf tanpa duct. Jadi
semakin besar diameter propeller, Dfore/Dafter, serta pendeknya jarak antar propeller
terhadap Dafter maka nilai lift dan trust semakin besar.
5. Kesimpulan
Berdasarkan percobaan dan simulasi yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan
sebagai berikut :
1. Berdasarkan literatur yang digunakan, penulis mendesain 5 bentuk foil section
Nozzle berdasarkan variasi L/D. Yaitu dengan panjang masing-masing :594mm, 792
mm, 990mm, 1188mm, 1327mm,
2. Berdasarkan literatur an digunaan, penulis mendesain 4 bentuk propeller tipe Kaplan
berdasakan vatiasi P/D dan Ae/Ao.
3. Berdasarkan variasi propeller dan Nozzle, penulis memvariasikan 20 variasi desain
foil section ari nozzle dan propeler tipe kaplan.
4. Dari hasil analisa ducted propeller dengan memodifikasi panjang nozzle, pitch, dan
blade area rasio, maka nilai efisien propulsi terbesar yaitu 54.87 % dengan panjang
nozzle 0.79 m, pitch 0.8, dan blade area ratio 0.55
DAFTAR PUSTAKA
Oosterveld, Wake Adapted Ducted Propellers, Netherlands
K.J. Rawson and E.C. Tupper (2001) Basic Ship Theory 5th Edition Volume 2 - Ship Dynamics
and Design, Plant a Tree
G. Kuiper (1992) The Wageningen Propeller series, Hamburg
9