ITS-paper-24509-4208100041-Paper

PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS

1

Abstrak Hovercraft adalah suatu kendaraan yang berjalan

di atas bantalan udara (air cushion). Hovercraft bekerja dengan

dua prinsip utama yaitu mengangkat dan mendorong. Kinerja

fan pada hovercraft amat mempengaruhi kinerja keseluruhan

dari sistem angkat (lifter) maupun sistem dorong (thruster)

hovercraft. Maka dari itu perlu dilakukan pemilihan centrifugal

fan yang yang paling sesuai berdasarkan jumlah blade dan rpm

yang paling baik. Simulasi di bantu program Numeca

FineTM/Turbo V8, dengan model airfoil centrifugal fan sebagai

lifter dan axial fan sebagai thruster, mendapatkan hasil bahwa

Lift Force jumlah blade 15 pada lifter jauh lebih stabil

dibanding variasi blade lain ketika dioperasikan pada putaran

1500 sampai 1900 RPM dan kembali meningkat pada RPM

2000 dan terus stabil hingga putaran maksimum 2100 RPM.

Sedangkan hubungan antara RPM dengan thrust force adalah

berbanding lurus, dengan nilai thrust force terbesar ada pada

variasi 6 blade dengan pada pengoperasian 2100 RPM dengan

nilai efisiensi terbesar terjadi ketika beroperasi pada putaran

1700 RPM. Karakteristik aliran fluida baik pada lifter maupun

thruster adalah aliran turbulen dengan Reynolds Number

diatas 4000.

Kata Kunci : hovercraft, centrifugal fan, airfoil

I. PENDAHULUAN

overcraft memiliki beberapa kelebihan

dibandingkan alat transportasi lainnya. Pada saat

bergerak hovercraft berada diatas bantalan udara, maka

hambatan yang dialami oleh hovercraft menjadi sangat kecil.

Hal ini membuat hovercraft dapat beroperasi pada segala

macam permukaan, tidak hanya rendahnya hambatan yang

dialami terhadap bentuk medan kerjanya dan permukaan air,

tetapi kemampuan ampibi yang unik yang membuat

hovercraft dapat beroperasi pada macam-macam permukaan

yang berbeda secara kontinu termasuk mencapai daerah

pedalaman tanpa mengalami kendala akibat dangkalnya

permukaan air sungai atau bebatuan yang banyak terdapat

pada sungai-sungai Indonesia.

Hovercraft TNI AL yang dijadikan objek penelitian

ini bernama Lumba-Lumba, dan difungsikan untuk

mengangkut pasukan dari kapal utama yang akan didaratkan.

Pada saat bergabung dengan TNI AL, hovercraft ini di

gunakan pada hampir setiap latihan operasi amfibi, seperti

yang diadakan di Kaimana Papua, Sangata Kalimantan Timur

dan beberapa operasi lainnya yang diadakan TNI AL.

Kemudian kendaraan ini juga dapat digunakan untuk

mobilisasi cepat VVIP Hovercraft bekerja dengan dua prinsip

utama yaitu mengangkat dan mendorong. Mengangkat

merupakan hal yang utama, karena prinsip dasar hovercraft

berjalan tanpa menyentuh permukaan dengan kata lain

kendaraan ini terangkat beberapa inci dari permukaan tanah

ataupun rawa. Sistem gaya angkat (lifter) dan pengendali

hovercraft ini memakai sistem centrifugal fan yang terhubung

dengan hydraulic motor. Kinerja fan pada hovercraft amat

mempengaruhi kinerja keseluruhan dari sistem angkat

maupun sistem dorong hovercraft. Penelitian ini bertujuan

untuk mengetahui karakteristik aliran fluida untuk gaya

angkat dan gaya dorong pada fan untuk Hovercraft Lumba-

Lumba TNI AL dengan variasi jumlah blade serta

memberitahukan pengoperasian RPM yang paling optimal.

Simulasi dilakukan dengan menggunakan Numeca

FineTM

/Turbo V8.

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Fan

Fan merupakan salah satu jenis mesin fluida yang

berfungsi untuk memindahkan fluida (udara) dengan arah dan

kecepatan tertentu sesuai dengan karakteristik rotor

(impeller) fan yang digunakan. Kapasitas udara yang mampu

dipindahkan oleh fan sangat ditentukan oleh tipe fan,

kecepatan putaran dan sistem penyaluran yang digunakan

bersama fan itu sendiri. Kapasitas merupakan jumlah gas

yang dipindahkan oleh fan tiap satuan waktu. Jika diukur

dalam unit volume, maka kapasitas yang terjadi adalah

kapasitas volumetrik yang biasanya dinotasikan dengan huruf

Q dan kapasitas massa gas yang dipindahkan oleh fan adalah

sebagai berikut:

m= p x Q(1)

B. Efisiensi Fan

Efisiensi fan adalah perbandingan antara daya yang

dipindahkan ke aliran udara dengan daya yang dikirimkan

oleh motor ke fan. Daya aliran udara adalah hasil dari

tekanan dan aliran, dikoreksi untuk konsistensi unit..

C. Sentrifugal Fan Untuk Lifter

Disebut fan sentrifugal karena fan jenis ini mengalirkan

udara dan daerah masukan (inlet) menuju daerah keluaran

(outlet) dengan arah radial karena gaya sentrifugal yang

ditimbulkan oleh putaran impeller. Selanjutnya udara yang

secara radial terlempar keluar impeller dengan kecepatan dan

tekanan tinggi kemudian masuk ke dalam casing fan yang

berbentuk spiral.

Untuk blade, digunakan jenis airfoil karena jenis ini

memiliki nilai efisiensi lebih besar disbanding tipe yang lain.

Analisa Aliran Fluida dan Analisa Gaya Pada

Fan Lifter dan Thruster Hovercraft

R. Rendi Pramadiansyah S., dan Ir. Amiadji M.M, M.Sc., Irfan Syarif Arief ST, MT

Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh

Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: [email protected] , [email protected]

H


2

Gambar 2 Penampang Airfoil

Jumlah daun yang paling sering digunakan digunakan

adalah antara 8 dan 12 tetapi bisa sampai 16 daun untuk ratio

diameter d1 / d2 yang besar atau sudut masuk daun yang besar

1. Jumlah daun yang terlalu sedikit akan menyebabkan

impeller tidak cukup mampu untuk menghasilkan performa

sesuai dengan karakteristik geometriknya, sedangkan jumlah

daun yang terlalu banyak justru akan mengurangi jumlah

aliran-aliran yang dihasilkan dan juga menimbulkan losses

yang lebih besar

D. Thruster Sistem

Untuk hovercraft ini menggunakan air propeller. Sebuah

hovercraft yang berjalan dengan kecepatan (v) pada

permukaan air akan menimbulkan gaya yang berlawanan

arah berupa tahanan (R) yang menghambat laju dari

hovercraft.

E. Air Propeller

Berdasarkan teori momentum untuk menentukan

efisiensi air propeller maka harus ditentukan terlebih dahulu

besar diameter, jumlah daun dan bentuk air propeller yang

akan didesain. Metode desain yang telah lama dilakukan

untuk propeller aircraft berdasarkan hasil interpretasi wind

tunnel tes dan data dari bentuk aerofoil. Untuk non

dimensional koefisien CT (koefisien thrust), CP (koefisien

daya), CQ (koefisien torsi) dan J (advance ratio) ditentukan

berdasarkan percobaan dalam wind tunnel dengan sudut

blade pada 70% bagian propeller diameter dari center.

CT = T / an2D

4...........................(2)

CQ = Q/ an2D

5............................(3)

CP = P / an3D

5............................(4)

J = V / nD .....................................(5)

Sedangkan hubungan untuk koefisien daya dan koefisien

torsi dapat dirumuskan sebagai berikut :

CP = 2CQ

III. METODOLOGI

Tahapan Pengerjaan

IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Umum Hovercraft

Dimensi Panjang struktur : 13 m

Lebar struktur : 5,9 m

Tinggi tidak hover : 3,2 m

Tinggi hover : 3,3 - 3,85 m

Panjang kabin : 5,6 m

Lebar kabin : 2,8 m

Performa Berat kosong : 3500 - 4000 kg

Berat maksimum : 7000 - 8000 kg

Daya angkut : 2000 kg + 700 liter

(BBM)

Kecepatan maksimum : 33 knot

Kecepatan jelajah : 28 knot

Kapasitas : 20 personil + kru

Tinggi rintangan keras : 30 cm

Maksimum tinggi gelombang : 100 cm

Mesin Lift dan Thrust : 466 HP Diesel DEUTZ

Power Generator

Number of Cylinders : 8

Bore/Stroke ( mm ) : 132/145

Displacement ( I ) : 15,87

Compression Ratio : 17

Acc. To Power Category A1) :466/2100

(HP/RPM)

Weight incl.keel cooling : 1250 kg

Fuel Consumption (at 75%) : 0.362 lb/hp - hr


3

Propeler :4blades

composites (78")

Fan : Centrifugal

Dimensi Engine

Engine Type BF8M1015CP mm

A B C D E

1673 1305 1021 361 660

Gambar 4.1 Engine Deutz Type BF8M1015CP

Skirt Type : Open loop dan

Multisegment

Material : Rubberizing Nylon

Kendali Rudder : 3 bilah

4.2 Perhitungan Kebutuhan Lifter dan Thruster

a. Penentuan Cushion Pressure ( Pc )

Pc = W/Sc W = berat total hovercraft (N)

= AUW x gravitasi

= 8000 kg x 9.8

= 78400 N

Sc = Luas Cushion Pressure (m3) = p x l

= 13 x 5.9

=76.7 m2

Pc = 78400 N / 76.7 m2

=1022.1643 N/m3

= 1022.1643 Pa

b. Penentuan Volume Udara Angkat (Q)

Q = 0.015

Sc = 76.7 m2

ar = 1.2257 kg / m3

Pc = 1022.1643 Pa

Q = 46.98 m3/s

c. Penentuan Diameter Impeller fan (D2)

u2 = 81 m/s

p = 3.14

n = 1500 RPM

D2=1.03 ~ 1 m

d. Penentuan Luas Impeller Disc (F)

p = 3.14

D2 = 1 m

= 0.81 m

e. Penentuan Koefisien Volume Udara Fan (Q)

Q = 46.98 m3/s

F = 0.81 m

u2 = 81 m/s

Q= 0.72

f. Penentuan Koefisien Tekanan Total Fan (H)

Q = 0.72

Ns = 2.5

H= 0.23

g. Penentuan Tekanan Total Fan (H)

H=H. a . u22

a = 1.2257 kg/m3

u2 = 81 m/s

H=0.23 x 1.2257 x 812

= 1883.5 N/m2

4.2.1 Perencanaan Lifter (Centrifugal Fan)

a. Diameter Impeller

Q = 46.98 m3/s

Q = 0.72

u2 = 81 m/s

p = 3.14

)/2(' apcScQQ r=

)2257.1/1643.10222(7.76015.0 xxQ =

xn

xuD

p

6022 =

4

2

2xDFp

=

4

114.3 2xF =

2

'Fxu

QQ =

8181.0

98.46'

xQ =

34,15.0'

'

=

sN

QH

34,15.0

5.2

72.0'

=H

pxxuQ

xQD

2

2'

4=

14.38172.0

98.4642

xx

xD =

PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS 4

D2=1.0157988 ~ 1

b. Diameter Impeller Daerah Input

D1= (0.6 0.7) D2

= 0.7 x 1

= 0.7 m

c. Lebar Daun Impeller

b = 0.46 x D1

= 0.46 x 0.7

= 0.322 m

4.2.2 Perencanaan Thruster

Berdasarkan data yang diperoleh, hovercraft ini

menggunakan Fan thruster dengan:

Diameter fan propeller = 78 = 1.9812 ~ 2 m

Jumlah Blade = 4

4.4.2 Data yang Diperoleh dari Hasil Simulasi Variasi

Pada tahap ini, diperoleh data dari hasil perhitungan yang

dilakukan berdasarkan hasil simulasi dan dapat ditabulasikan

pada tabel tabel berikut:

a. Untuk lifter (Airfoil Centrifugal Fan)

Tabel 4.1 Perolehan Lift Force Hasil variasi jumlah blade dan

RPM pada lifter.

BLA

DE

vs

RPM

LIFT FORCE (N)

1500 1600 1700 1800 1900

200

0 2100

8

62880

0

62920

0

62930

0

62880

0

62880

0

628

800

6288

00

9

63070

0

63170

0

63170

0

63170

0 63170

0

631

700

6293

00

10

63070

0

63020

0

63020

0

63020

0 63020

0

630

200

6302

00

11

63260

0

63130

0

63130

0

63130

0

63130

0

631

300

6305

00

12

63130

0

63070

0

63290

0

63290

0

63290

0

631

600

6329

00

13

63120

0

63350

0

63350

0

63350

0

63350

0

630

700

6307

00

14

63240

0

63240

0

63240

0

63240

0

63240

0

632

400

6324

00

15

63300

0

63300

0

63300

0

63300

0

63300

0

633

200

6332

00

16

63060

0

63070

0

63070

0

63060

0

63060

0

631

900

6325

00

Tabel 4.2 Perolehan Efisiensi dari Hasil variasi jumlah blade

dan RPM pada lifter. BLA

DE/R

PM

EFISIENSI

1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100

8 0.701 0.705

0.70

6

0.69

89

0.69

89

0.69

89

0.69

89

9 0.715 0.715

0.71

5

0.71

5

0.71

5

0.71

5

0.71

4

10 0.715 0.727

0.72

7

0.72

7

0.72

7

0.72

7

0.72

7

11 0.758 0.738

0.73

8

0.73

8

0.73

8

0.73

8

0.73

5

12 0.746 0.797

0.74

5

0.74

4

0.74

4

0.74

8

0.74

5

13 0.733 0.753

0.75

3

0.75

3

0.75

3

0.75

1

0.75

1

14 0.774 0.774

0.77

4

0.77

4

0.77

4

0.77

4

0.77

4

15 0.787 0.787

0.78

7

0.78

7

0.78

7

0.77

6

0.77

6

16 0.796 0.797

0.79

7

0.79

6

0.79

6

0.79

4

0.78

8

b. Untuk Thruster (Axial Fan)

Tabel 4.3 Perolehan Thrust Force Hasil variasi jumlah blade

dan RPM pada thruster

BLADE

/RPM

THRUST (N)

1500 1700 1900 2100

3 995.81128

92

1390.0999

99

1955.5141

16

2780.616

1

4 1442.0886

32

1990.3163

33

2745.9628

12

3836.464

7

5 1933.3159

68

2641.8988

44

3581.7196

84

4922.679

1

6 2476.8253

75

3355.0827

27

4477.1830

22 6059.733

Tabel 4.4 Perolehan Efisiensi dari Hasil variasi jumlah blade

dan RPM pada thruster

BLAD

E/RP

M

EFISIENSI

1500 1700 1900 2100

3 0.3 0.25 0.23 0.22

4 0.32 0.27 0.24 0.23

5 0.09 0.36 0.14 0.3

6 0.07 0.46 0.11 0.37

4.5 Pembahasan

4.5.1 Analisa Gaya

Data-data yang ada didalam table 4.1, 4.2, 4.3, dan 4.4

kemudian diplotkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui

karakteristik dari masing-masing model yang telah

divariasikan. Berikut adalah pembahasan dari keempat tabel

tersebut.

a. Untuk lifter (Airfoil Centrifugal Fan)

Gambar 4.6 RPM vs Lift Force pada variasi Jumlah Blade

PAPER TUGAS AKHIR TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FTK ITS 5

Pada grafik di atas dapat dilihat bahwa ada dua buah variasi

blade yang menghasilkan lift force paling besar yaitu 13

blade dan 15 blade. Akan tetapi pada putaran 2000 RPM 13

blade mengalami penurunan lift force, sebaliknya 15 blade

mengalami peningkatan lift force, dan secara keseluruhan variasi 15 blade lebih stabil ketika dioperasikan dalam

putaran sedang sampai akhirnya di operasikan pada putaran

tinggi (maksimum 2100 RPM).

Gambar 4.7 RPM vs Efisiensi pada variasi Jumlah Blade

Pada grafik efisiensi di atas, variasi jumlah blade 16 memiliki

efisiensi paling tinggi dan relatif stabil sejak dioperasikan

dari 1500 RPM sampai 2100 RPM. Pada variasi 13 blade

yang memiliki lift force tinggi ternyata nilai efisiensinya

berada di bawah variasi jumlah blade 14,15, dan 16.

Sedangkan untuk jumlah blade 15, nilai efisiensinya berada

pada posisi ke 2 teratas, dimana sejak pengoperasian pada

putaran 1500 RPM sampai 1900 RPM relatif stabil, akan

tetapi memasuki putaran 2000 RPM mengalami penurunan

efisiensi sebesar 0.011, dan nilai efisiensi sampai 2100 RPM

adalah sebesar 0.776

b. Untuk Thruster (Axial Fan)

Gambar 4.8 RPM vs Thrust pada variasi Jumlah Blade

Pada grafik diatas, dapat dilihat bahwa kurva thrust terus

bergerak naik berbanding lurus dengan semakin tingginya

RPM. Nilai thrust terbesar ada pada variasi 6 blade dengan

2100 RPM.

Gambar 4.9 RPM vs Efisiensi pada variasi Jumlah Blade

Pada grafik diatas, dapat dilihat bahwa secara

keseluruhan variasi blade cenderung mengalami

penurunan efisiensi. Akan tetapi untuk variasi 5 dan 6

blade kembali mengalami peningkatan efisiensi seiring

dengan pengoperasian pada putaran 2100 RPM. Nilai

efisiensi terbesar terjadi pada variasi 6 blade dengan

RPM 1700.

4.5.2 Analisa Aliran Fluida

Diketahui:

= 1.29 kg/m3

= 0.000018 Ns/m2

Hasil perhitungan berdasar data yang diambil dari simulasi

adalah sebagai berikut:

LIFTER

v d (m)

Re

Inlet 105.214 0.7 5278236

Wall 103.929 1 7448245

Outlet 171.411 1 12284455

LIFTER

v d (m)

Re

Inlet 191.386 1 13715997

Wall 227.036 1 16270913

Outlet 186.37 1 13356517

Berdasar hasil diatas, diketahui bahwa untuk lifter, aliran

fluida secara keseluruhan memiliki karakteristik aliran

turbulen, karena nilai Reynolds Number pada inlet=5278236,

wall=7448245, outlet=12284455.

Begitu juga pada thruster, Reynolds Number pada

inlet=13715997, wall=16270913, dan outlet=13356517 maka

karakteristik aliran fluidanya adalah aliran turbulen.

V. KESIMPULAN/RINGKASAN

Lifter (airfoil centrifugal fan) dengan jumlah blade 15 dan

thruster (axial Fan) dengan jumlah blade 6 adalah yang

paling optimal dan relatif stabil digunakan untuk

menghasilkan lift dan thrust force dengan efisiensi yang

terbaik selama dioperasikan pada 1500 RPM sampai 2100

RPM ( RPM maksimum). Sedangkan karakteristik pada lifter


6

adalah berupa aliran turbulen dengan Reynolds Number pada

inlet=5278236, wall=7448245, outlet=12284455. Dan pada

thruster juga memiliki karakteristik aliran turbulen dengan

Reynolds Number pada inlet=13715997, wall=16270913, dan

outlet=13356517

LAMPIRAN

Gambar Hasil Simulasi Aliran Fluida

Lifter:

Thruster:

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih kepada Allah SWT, atas segala curahan

nikmat dan karunia kepada penulis. Juga kepada Ayah dan

Ibu di kampung halaman atas segala doa disetiap sujud

mereka.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Rahim, Febri Razaqur (2008), Analisis Aliran Udara

Yang Melalui Fan Dan Integrasinya Ke Dalam Sistem Circular Hovercraft Proto X-, Skripsi Program Studi

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia :

Jakarta.

[2] http://berita-

iptek.blogspot.com/2008/04/hovercraft.html

[3] Yuliawan, Hendra Dwi (2009), Perencanaan Sistem

Thruster Dan Lifter Tipe Terpisah Untuk Hovercraft

Militer Dengan Payload 15 Ton, Tugas Akhir Jurusan

Teknik Sistem Perkapalan FTK ITS : Surabaya.

[4] http://www.balitbang.dephan.go.id/?q=content/hovercra

ft

[5] http://id.wikipedia.org/wiki/Kapal_bantalan_udara

[6] Yun, Liang. 2000. Theory And Design Of Air Cushion

Craft.Arnold, A Member Of The Hodder Headline

Group : London

[7] Bleier, Frank P. (1998). Fan Handbook, Selection, Application, And Design. McGraw Hill Book Company.

New York: USA

[8] Bureau of Energy Efficiency (BEE), Government of

India.(2004). Energy Efficiency Guide Book,chapter 5, p

93-112. India.

[9] Chun Lin, Sheam., & Chia Lieh Huang.(2001). An

Integrated Experimental and Numerical Study of

Forward-Curved Centrifugal Fan. Experimental Paper

Department of Mechanical Engineering, National

Taiwan University of Science and Technology. Taipei:

Taiwan, ROC

[10] Ingram, Grant. (2009). Basic Concepts in

Turbomachinery.Ventus Publishing ApS:Durham.

[11] Roosevelt, Avenue Franklin. (2010). Tutorials

FINETM

/Turbo v8. NUMECA International : Belgium

[12] http://ridwan.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/

10075/Karakteristik+Aliran+Fluida1.pdf

ITS-paper-24509-4208100041-Paper

Documents

Transcript of ITS-paper-24509-4208100041-Paper