DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM PROPULSI DAN STAND ALONE SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL

M. Dakka Krisma Dwikade 2109 106 006

Dosen Pembimbing: Arif Wahjudi, ST., MT., Ph.D.

Hendro Nurhadi, Dpil-Ing., Ph.D.

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Tegnologi Industri

Institut Tegnologi Sepuluh Nopember Surabaya

LATAR BELAKANG

Kenapa sistem propulsi??

Belum dilakukan penelitian sebelumnya

Ketergantungan produk

Dalam cakupan teknik mesin

Penelitian Sebelumnya

• Firmansyah (2012) telah melakukan penelitian mengenai desain sistem propulsi berupa pemilihan propeller jenis CPP (Controllable Pitch Propeller) berdasarkan metode B-Screw Series, pemilihan spesifikasi prime mover dan sistem transmisi pada kapal Offshore Patrol Vessel 80.

• Dullens (2009) telah melakukan penelitian mengenai pemodelan matemaika komponen propeller type CPP (Controllable Pitch Propeller) berupa linear aktuator, servo hidrolik, makanisme CPP

RUMUSAN MASALAH SISTEM KONTROL PROPULSI SISTEM PROPULSI

Bagaimana menentukan pemilihan komponen prime mover, transmission, dan propeller berikut analisa pemilihannya?

Bagaimana memodelkan dan mendesain kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal ??

BATASAN MASALAH • Desain sistem propulsi berupa pemilihan spesifikasi prime mover,

transmisi, dan propeller • Prime mover berupa diesel engine, transmisi berupa redustion

gerabox, dan propeller berupa cotrollable pitch propeller • Desain sistem kontrol propulsi berupa Stand alone system • Input kecepatan propeller dan pitch propeller • Output kecepatan propeller, pitch propeller, dan kecepatan kapal • Kondisi perairan dan gelombang laut diabaikan • Simulasi dilakukan pada kondisi kondisi operasional kapal ahead • Analisa simulasi pada sistem kontrol kecepatan propeller dan

kontrol pitch propeller

TUJUAN DAN MANFAAT SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL SISTEM PROPULSI KAPAL

Memperoleh jenis komponen prime mover, transmission, dan propeller

Memperoleh desain dan model kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal

SEKILAS TENTANG

SISTEM PROPULSI KAPAL [1]

PROPELLER SISTEM TRANSMISI PRIME MOVER

Controllable Pitch Propeller (CPP) Fixed Pitch Propeller (FPP)

Direct Drive Geared Drive Electrical Drive

Diesel Engine Turbin

SEKILAS TENTANG

SISTEM PROPULSI KAPAL [2]

Rt

Vs EHP

DHP SHP BHPscr BHPmcr

Interaksi Propeller dan Lambung Kapal

Kt – Kq - J

SEKILAS TENTANG

SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [1]

CPP Diesel Engine Pitch Control Speed Control

Platform Interaksi propeller dan lambung kapal untuk mencapai kecepatan servis

SEKILAS TENTANG

SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [2] Konsep pengontrolan pitch

SEKILAS TENTANG

SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [3] Konsep pengontrolan speed

m fuel

METODOLOGI PENELITIAN [1]

• Diagram Alir Penelitian • Kriteria Desain • Konsep Desain

Kriteria Desain

• Misi kapal adalah kapal cepat patroli. • Kecepatan desain kapal yang diinginkan adalah 30

knots. • Kontrol yang akan diimplementasikan adalah stand

alone system sehingga masing – masing propulsi memiliki kontrol yang berdiri sendiri. Dimana antara satu propulsi dan propulsi yang lain bergerak sama.

• Input yang digunakan pada sistem kontrol ini adalah pitch dan kecepatan mesin yang diinginkan dengan keluaran kecepatan kapal.

• Kriteria sistem kontrol dengan settling time pitch propeller dan kecepatan propeller kurang dari 23 s.

Konsep Desain

Sistem propulsi dan stand alone sistem kontrol propulsi dengan diesel engine sebagai prime mover, reduction gearbox sebagai transmission, dan controllable pitch propeller (cpp) sebagai propeller.

DESAIN SISTEM PROPULSI KAPAL

Pemilihan Prime Mover [1] Langkah Pemilihan: a. Perhitungan Delivered Horse Power (DHP)

b. Perhitungan Shaft Horse Power (SHP)

c. Perhitungan Brake Horse Power service continuous rating (BHPscr)

d. Perhitungan Brake Horse Power maximum continuous rating (BHPmcr)

𝐷𝐷𝐷 =𝐸𝐷𝐷𝐷𝑃

𝑆𝐷𝐷 =𝐷𝐷𝐷𝜂𝜂𝜂𝜂

𝐵𝐷𝐷 𝑆𝑆𝑆 =𝑆𝐷𝐷ηG

𝐵𝐷𝐷 𝑀𝑆𝑆 =𝐵𝐷𝐷 𝑆𝑆𝑆

0,85

Pemilihan Prime Mover [2]

Prime Mover Type : S.M.E.T. Pielstick 18 PC4-2B Daya : 23850 kW Kecepatan mesin : 600 rpm

BHPMCR = 62127,54 hp = 46285,02 kW

Karena twin screw propeller maka, daya masing – masing engine Adalah 23142,5 kW

Pemilihan Propeller Langkah Pemilihan:

a. Menentukan Power Absorbtion (BP)

b. Pembacaan diagram BP-1

c. Menentukan nilai P/D dan δ0 dari pembacaan diagram BP-δ.

d. Menentukan nilai diameter optimum (DO) dari pembacaan diagram BP-δ.

e. Menentukan nilai Pitch Propeller (PO)

f. Menentukan nilai diameter behind ship (DB)

g. Menentukan nilai δB

h. Menghitung nilai (P/D)B

i. Menentukan efisiensi masing – masing type propeler

Pemilihan Propeller [1]

B5-45 B5-60 B5-75 B5-90 B5-105

N. Engine (rpm) 600,000 600,000 600,000 600,000 600,000N. Propeller (rpm) 288,184 288,184 288,184 288,184 288,184Pd (kW) 18892,160 18892,160 18892,160 18892,160 18892,160Vs (knot) 30,000 30,000 30,000 30,000 30,000Va (knot) 24,750 24,750 24,750 24,750 24,750Bp 15,287 15,287 15,287 15,287 15,2870,7139(Bp^2) 0,680 0,680 0,680 0,680 0,680(P/D)o 0,965 0,945 0,950 0,980 1,0301/Jo 1,465 1,490 1,490 1,465 1,430δo 148,354 150,886 150,886 148,354 144,810Do (feet) 12,741 12,958 12,958 12,741 12,437Db (feet) 12,104 12,311 12,311 12,104 11,815(P/D)b 1,005 0,975 0,980 1,015 1,0651/Jb 1,392 1,416 1,416 1,392 1,359δb 140,937 143,342 143,342 140,937 137,570η 0,650 0,657 0,655 0,645 0,631

Unit Type Propeller

Pemilihan propeller B Screw Series

Pemilihan Propeller [2] Propeller Type propeller : B screw series Jumlah blade : 5 Ae/Ao : 0,6 Diameter : 12,311 feet = 3,752 m N. Propeller : 288,184 rpm Dengan pertimbangan memiliki efisiensi terbesar yaitu 65,7%.

Analisa Engine Propeller [1]

Diagramn koefisien thrust VS koefisien advance

Analisa Engine Propeller [2] Pembacaan koefisien thrust, koefisien torque, Koefisien advance Pada diagram open water

Analisa Engine Propeller [3] Diagram beban propeller pada kondisi trial

Analisa Engine Propeller [4] Diagram beban propeller pada kondisi service

DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL

Konsep Desain Kontrol

Pemodelan Matematis [1] Kontrol pitch propeller

Servo valve Servomotor hidrolika Crank

𝐼(𝜂)𝐸(𝜂) =

1𝐿𝜂 + 𝑅

𝑋 𝜂𝐼 𝜂 =

𝐵𝐵𝑀𝜂2 + 𝐶𝜂 + 𝑘

𝑌(𝜂)𝑋(𝜂) =

𝐾𝜂

𝜃(𝜂)𝑦(𝜂) =

1𝑟

Pemodelan Matematis [2] Kontrol kecepatan propeller

𝐼(𝜂)𝐸(𝜂) =

1𝐿𝜂 + 𝑅

Servo valve Servomotor hidrolika Diesel engine

𝑋 𝜂𝐼 𝜂 =

𝐵𝐵𝑀𝜂2 + 𝐶𝜂 + 𝑘

𝑌(𝜂)𝑋(𝜂) =

𝐾𝜂 𝑛 𝜂 =

𝐶1. �̇� 𝜂1 + 𝜏1. 𝜂 �̇� −

𝐶2𝐶1𝑇𝐿

Pemodelan Matematis [3] Torsi propeller

𝐽 =𝑉𝑉𝑛.𝐷 𝑄 = 𝐾𝑄.𝜌.𝑁2.𝐷5

Koefisien Advance Grafik Kq Propeller torque

𝐾𝑄 = 𝑓(𝐷 𝐷� , 𝐽)

𝐾𝑄 = 𝑄1 𝐷 𝐷� + 𝑄2.𝐽 𝐽 = 𝑄3𝑉𝑉 + 𝑄4.𝑛 𝑄 = 𝑄5𝐾𝑄 + 𝑄6𝑛

Pemodelan Matematis [4] Gaya dorong propeller

𝐾𝑇 = 𝑓(𝐷 𝐷� , 𝐽) 𝐽 =𝑉𝑉𝑛.𝐷 𝑇 = 𝐾𝑇 .𝜌. 𝑛2.𝐷4

Koefisien Advance Grafik Koefisien Trust Propeller Thrust Thrust Deduction Factor

𝐾𝑇 = 𝑇1 𝐷 𝐷� + 𝑇2.𝐽 𝐽 = 𝑇3𝑉𝑉 + 𝑇4.𝑛 𝑇 = 𝑇5𝐾𝑇 + 𝑇6𝑛

𝑇𝐸𝑇𝑃

= 𝑡

Pemodelan Matematis [5] Dinamika kapal

𝑇 − 𝑅 = 𝑚. 𝑉

Kecepatan Kapal Kecepatan Advance

𝑉𝑉𝑉 = (1 −𝑤)

Desain Kontrol Sistem Propulsi

Pemodelan Matlab-Simulink [1] Kontrol pitch propeller

Pemodelan Matlab-Simulink [2] Kontrol kecepatan propeller

Pemodelan Matlab-Simulink [3] Kontrol torsi propeller

Pemodelan Matlab-Simulink [4] Kontrol gaya dorong propeller

Pemodelan Matlab-Simulink [5] Kontrol dinamika kapal

ANALISA DAN PEMBAHASAN

Simulasi Loop Terbuka [1] Kontrol pitch propeller

Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang

diinginkan

Input: - Unit step pada kondisi

operasional pitch propeller 0,975

Simulasi Loop Terbuka [2] Kontrol kecepatan propeller

Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang

diinginkan

Input: - Unit step pada kondisi

operasional kecepatan propeller 4,8 m/s

Simulasi Loop Terbuka [3] Kontrol sistem propulsi

Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang

diinginkan

Input: - Unit step pada kondisi

operasional pitch propeller 0,975

- Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 0,975

Simulasi Loop Tertutup [1] Kontrol pitch propeller

Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang

diinginkan

Input: - Unit step pada kondisi

operasional pitch propeller 0,975

Watak Respon PID

Settling time 2,09 s

Rise time 1,12 s

Overshot 0,886 %

Steady state error 0,01

Simulasi Loop Tertutup [2] Kontrol kecepatan propeller

Watak Respon PID

Settling time 19 s

Rise time 11,8 s

Overshot 0,835 %

Steady state error 0,03

Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang

diinginkan

Input: - Unit step pada kondisi

operasional kecepatan propeller 4,8 m/s

Simulasi Loop Tertutup [3] Kontrol sistem propulsi

Watak Respon

Settling time 30,61 s

Rise time 15 s

Overshot 0 %

Steady state error 0

Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang

diinginkan

Input: - Unit step pada kondisi

operasional pitch propeller 0,975

- Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 4,8 m/s

Analisa Kestabilan Sistem[1] Transfer fuction plant kontrol pitch propeller

Pole – pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria kestabilan sistem stabil jika K<169 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±86,1

Transfer fuction plant dan controller dengan unity feedback

Analisa Kestabilan Sistem[2] Transfer fuction plant kontrol kecepatan propeller

Pole – pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria kestabilan sistem stabil jika K<0,69 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±5,87

Transfer fuction plant dan controller dengan unity feedback

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan • Diperoleh komponen sistem propulsi kapal mesin diesel 2x23850

kW, gearbox rasio 2,082, dan controllable pitch propeller type screw series B5-60 dengan diameter 3,752 m. Kondisi operasional kapal pada kecepatan 30 knot didapatkan pada P/D 0,975 dan n 4,8 m/s.

• Diperoleh pemodelan sistem kontrol kecepatan kapal dan simulasi dengan nilai settling time memenuhi kriteria desain yaitu 19 s.

• Diperoleh pemodelan sistem kontrol pitch propeller dan simulasi dengan nilai settling time memenuhi kriteria desain yaitu 2,09 s.

• Diperoleh pemodelan sistem kontrol propulsi dan simulasi memenuhi kriteria desain kecepatan kapal 30 knots dengan settling time 30,61 s

Saran

Pengembangan selanjutnya dapat dilakukan pemodelan kurva kombinasi pitch dan propeller sehingga didapatkan suatu sistem kontrol propulsi dengan masukan kecepatan kapal dan keluaran kecepatan kapal pada kondisi ahead dan astern dengan disturbance berupa gangguan laut.

Matur Nuwun Thanks You شكرا

谢谢

ありがとう Cпасибо

Dank u

¡gracias

धन्यवा