KAJIAN TEKNIS PENAMBAHAN SKEG PADA KAPAL ...skeg juga berfungsi untuk menambah suport poros sehingga...

KAJIAN TEKNIS PENAMBAHAN SKEG PADA KAPAL PATROLI TIPE 36 m DENGAN METODE CFD

Oleh

Ir. Tony BambangM,PGD 2), Edi Jadmiko,ST MT 2), Triyono 1)

1) Mahasiswa: Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, FTK-ITS 2) Staf Pengajar: Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, FTK-ITS

ABSTRAK

Dalam setiap aliran air pada badan kapal sampai ke bagian buritan kapal, selalu terjadi wake / arus ikut (w) yang merupakan perbedaan antara kecepatan kapal.wake inilah yang akan menyebabkan besar Va akan selalu lebih kecil dari besar Vs.Semakin besar w yang terjadi akan mengakibatkan Va akan menjadi lebih kecil.Dengan Va yang semakin kecil maka daya yang diperlukan untuk mendorong kapal (T)agar mencapai kecepatan yang diinginkan akan menjadi lebih besar.Skeg adalah salah satu bentuk modifikasi yang diberikan pada bagian buritan kapal yang bertujuan untuk yang bertujuan untuk menjaga stabilitas kapal saat kapal melaju pada kecepatan tinggi dadmembantu fluida mengalir lebih smoth melewati hull dan propeller aft.Selain hal diatas skeg juga berfungsi untuk menambah suport poros sehingga poros menjadi lebih rigid dan tidak akan bengkok saat berputar pada putaran tinggi.Dalam tugas akhir ini akan diamati bagaimana pengaruh penambahan skeg pada kapal patroli tipe 36 dengan bantuan software ANSYS CFD sebagi pengolah data hingga didapat hasil yang diinginkan.

Kata kunci:Skeg,speed of advance(Va),Thrust(T),ANSYS CFD

1. Pendahuluan Dalam setiap aliran air pada badan kapal sampai ke bagian buritan kapal, selalu terjadi wake / arus ikut (w) yang merupakan perbedaan antara kecepatan kapal dengan dengan kecepatan air yang melalui baling-baling (Sv.Aa Harvald. Tahanan dan Propulsi Kapal.1983).wake inilah yang akan menyebabkan besar Va akan selalu lebih kecil dari besar Vs.Semakin besar w yang terjadi akan mengakibatkan Va akan menjadi lebih kecil.Dengan Va yang semakin kecil maka daya yang diperlukan untuk mendorong kapal (T)agar mencapai kecepatan yang diinginkan akan menjadi lebih besar.

Skeg adalah salah satu bentuk modifikasi yang diberikan pada bagian buritan kapal(semacam sirip) yang bertujuan untuk menjaga stabilitas kapal saat kapal melaju pada kecepatan tinggi serta membantu fluida mengalir lebih smoth melewati hull dan propeller aft.Selain hal diatas skeg juga berfungsi untuk menambah suport poros sehingga poros menjadi lebih rigid dan tidak akan bengkok saat berputar pada putaran tinggi(Stuart Slade, www.navweaps.com)

Triple screw propeller adalah salah satu jenis pengaplikasian penggerak di kapal.Aplikasi penggunaan triple screw propeller biasa digunakan pada kapal yang saratnya tidak dapat memenuhi kebutuhan dimensi propeller jika dipasang single screw propeller .

Disamping manfaat diatas pengalikasian skeg pada kapal dengan triple screw propeller juga akan mempengaruhi kinerja dari sistem propulsi itu sendiri.Penambahan struktur skeg akan secara langsung mengubah wake(arus ikut) yang terjadi akibat pengaruh aliran fluida dari propeller lain dan bentuk buritan. Arus ikut yang terjadi pada tiap baling-baling harus diperhitungkan karena cukup berpengaruh pada thrust kapal.

Disini akan dianalisa pengaruh penggunaan skeg pada kapla patroli tipe 36 yang 3 propeller.Untuk spesifikasi yang diinginkan pihak owner adalah bahwa kapal ini mampu bergerak dengan kecepatan maksimal 20 knot.

Analisa yang dilakukan menggunakan perhitungan dan dibantu dengan pemodelan menggunakan program CFD. Program akan

dapat menggambarkan bentuk aliran yang terjadi terutama untuk bagian yang tercelup air,dari sini dapat diketahui distribusi wake yang terjadi pada tiap baling-baling sesuai konfigurasi yang dianalisa. Dengan diketahuinya bentuk aliran dan segala data yang terekam, kemudian dilanjutkan dengan melakukan perhitungan sampai dengan diperoleh hasil yang diinginkan.

1.1. Perumusan Masalah

Adapun masalah-masalah yang akan dibahas pada tugas akhir ini antara lain :

Bagaimana meningkatkan Va pada kapal dengan mengaplikasikan skeg pada kapal tersebut Bagaimana dimensi dan bentuk skeg yang diperlukan hingga performance yang diberikan propeller adalah yang paling optimal Bagaimana penempatan skeg yang paling optimal hingga performance yang diberikan propeller adalah yang paling optimal Bagaimana perbandingan antara sistem propulsi yang memakai skeg dan yang tidak memakai skeg (Va dan T) 1.2. Batasan Masalah

Pembahasan dalam tugas akhir ini dibatasi pada:

Dalam tugas akhir ini akan dilakukan analisa untuk konfigurasi skeg pada Kapal Patroli Type 36 m dengan bantuan program CFD.

Skeg akan diletakan pada daerah antara poros propeller samping dan tengah

Diberikan sudut pada propeller sebagai pelengkap penambahan skeg sehingga hasilnya akan lebih optimal 1.3. Tujuan

Tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah:

Menganalisa dan Membandingkan secara teknis hingga didapat Kecepatan yang melewati propeller(Va),(Thrust)T,Pt(Thp).Dari sistem propulsi dengan skeg dan sistem propulsi tanpa skeg pada kapal patroli tipe 36.

1.4. Manfaat Manfaat dari penulisan tugas akhir ini

adalah sebagai bahan referensi untuk penelitian selanjutnya yang berhubungan dengan tugas akhir ini.

2.Tinjauan Pustaka

Skeg Skeg adalah salah satu bentuk

modifikasi yang diberikan pada bagian buritan kapal(semacam sirip) yang bertujuan untuk menjaga stabilitas kapal saat kapal melaju pada kecepatan tinggi serta membantu fluida mengalir lebih smoth melewati hull dan propeller aft.Selain hal diatas skeg juga berfungsi untuk menambah suport poros sehingga poros menjadi lebih rigid dan tidak akan bengkok saat berputar pada putaran tinggi. (Stuart Slade, www.navweaps.com)

Pada umumnya skeg dibagi menjadi dua jenis,pertama adalah jenis skeg yang ditempatkan inboard dengan shaft propeller,skeg jenis ini mempunyai dua fungsi yaitu untuk menyangga shaft itu sendiri,juaga untuk memperlancar aliran fluida.Yang kedua adalah skeg yang ditempatkan outer shaft,skeg jenis akan lebih efektif dalam mengatur aliran fluida agar lebih smoth menuju propeller(Stuart Slade, www.navweaps.com)Dalam tugas akhir ini yang dianalisa adalah skeg yang berfungsi untuk mengarahkan arah aliran fluida yang menuju propeller.

Triple screw propeller adalah salah satu jenis pengaplikasian penggerak di kapal.Aplikasi penggunaan triple screw propeller biasa digunakan pada kapal yang saratnya tidak dapat memenuhi kebutuhan dimensi propeller jika dipasang single screw propeller .Pada aplikasinya pemasangan triple screw propeller juga sering diaplikasikan juga skeg untuk menunjang masing-masing propeller.

Disamping manfaat diatas pengalikasian skeg pada kapal dengan triple screw propeller juga akan mempengaruhi kinerja dari sistem propulsi itu sendiri.Penambahan struktur skeg akan secara langsung mengubah wake(arus ikut) yang terjadi akibat pengaruh aliran fluida dari propeller lain dan bentuk buritan. Arus ikut yang terjadi pada tiap baling-baling harus diperhitungkan karena cukup berpengaruh pada thrust kapal.

Penambahan skeg akan berakibat pada berkurangnya kemampuan olah gerak dari kapal itu sendiri,oleh karena itu jika

kemampuan olah gerak kapal tidak terganggu maka luasan skeg dibatasi maksimal 30 % dari luasan daun kemudi(Dr. A.F. Molland,rudder design data.unervesity ofsouthamton)

Data Umum Kapal Patroli Tipe 36 Kapal Patroli merupakan jenis

kapal yang beroperasi pada kecepatan jelajah yang bervariasi. Kapal Patroli yang akan dianalisa merupakan Type 36 m. Kapal ini direncanakan untuk beroperasi pada daerah sekitar perairan Indonesia sebagai kapal pengawas dan patroli. Kapal ini memiliki 3 macam kecepatan yang biasa digunakan yakni: kecepatan ekonomis (jika tidak sedang bertugas) sebesar 14 knots, kecepatan rata-rata (pada saat bertugas) yaitu 18 knot, dan kecepatan maksimal (saat pengejaran) sebesar 20 knot. Kecepatan ini harus dapat dipenuhi atau jika mungkin lebih, dengan merancang sistem olah gerak kapal yang benar.

Kapal Patroli ini akan menggunakan 3 mesin utama dan 3 poros serta 3 propeler.dan 2 daun kemudi Dimensi utama Kapal Patroli ini adalah:

LOA : 36 m LWL : 34.05 m LPP : 33.29 m B : 7 m Draft : 3.35 m T : 1.9 m Cb : 0.4 Sistem Prop : FPP Panjang poros : 5.6 m Panjang stern tube: 3.4 m Propeler: diameter 1,04 m type

Speed of advance (Va)dan Thrust(T)

Dalam setiap aliran air pada badan kapal sampai ke bagian buritan kapal, selalu terjadi wake / arus ikut (w) yang merupakan perbedaan antara kecepatan kapal dengan dengan kecepatan air yang melalui baling-baling (Sv.Aa Harvald. Tahanan dan Propulsi Kapal.1983).Wake ini merupakan faktor penyebab munculnya 2 macam kecepatan kapal yakni Vs (kecepatan servis kapal) serta Va (kecepatan advance / kecepatan relatif dari partikel air yang melewati piringan baling-baling). Dimana besarnya Va akan selalu lebih kecil daripada Vs berdasarkan rumusan :

( 1 - wq ) = Va / Vs

Sehingga wake fraction(w)yang dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut,

W = 1 – (Va/Vs)

(Diktat Mata Kuliah Propulsi.2005)

Wake pada kapal dapat terjadi karena pengaruh lambung kapal itu sendiri (dimana air akan mengalir menuju buritan dan membentuk arus) atau juga karena gerakan baling-baling kapal sehingga pada daerah disekitar baling-baling mengandung arus sesuai arah gerak baling-baling tersebut.

Besarnya Va dapat dirumuskan sebagai berikut:

Va = Vs ( 1 – W )

; dimana W adalah torque identity wake fraction.

(Diktat Mata Kuliah Propulsi.2005)

Nilai dari Va sangat mempengaruhi daya dorong dan effisiensi propeller adapun rumus dari daya dorong propeller adalah:

P t= T x Va

dimana :

Pt = Daya Dorong, dlm. satuan kWatt

T = Gaya Dorong, dlm. satuan kN

Va = Kecepatan advanced aliran fluida di bagian Buritan kapal [m/det]

= Vs ( 1 – w ); yangmana w adalah wake fraction (fraksi arus ikut)

t dan w merupakan propulsion parameters, dimana t adalah

yang dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut ;

tstandar = 0,5× − 0,12 P C ; Untuk kapal dengan baling-baling tunggal

= 0,5× − 0,19 P C ; Untuk kapal dengan baling-baling ganda

Gaya Dorong (Thrust) kapal merupakan komponen yang sangat penting, yang mana digunakan untuk mengatasi Tahanan (Resistance) atau Gaya Hambat kapal. Padakondisi yang sangat-sangat ideal, besarnya gaya dorong yang dibutuhkan mungkinsama besar dengan gaya hambat yang terjadi dikapal.

berikut ;

Kemudian dengan mensubstitusi R di Pers.

Akan didapat persamaan :

Selanjutnya dengan mensubtitusikan persamaan Vs akan didapat persamaan baru yaitu:

Program CFD yang digunakan disini adalah sebagai alat bantu pemodelan atas konfigurasi sistem penggerak yang akan dianalisa, baik itu untuk kondisi aktual / sebenarnya maupun konfigurasi rancangan yang akan dianalisa. Dari pemodelan ini nantinya akan diperoleh data yang kemudian akan dianalisa lebih lanjut sehingga hasil akhirnya dapat diperoleh nilai daya terbesar atas konfigurasi sistem penggerak kapal Patroli Type 36 m yang 3 propeler.

2.4 Karakteristik Fluida

Yang harus diperhatikan disini adalah

bahwa objek yang diamati bergerak pada media fluida dimana setiap fluida memiliki karakterisiknya masing-masing. Teori yang pasti tentang fluida dalah bahwa fluida memiliki persamaan kontinuitas, momentum dan energi, hal ini sesuai dengan prinsip dasar fisika

1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass)

2. Hukum Kedua Newton (Newton’s Second Law of Motion)

3. Hukum kekekalan Energi Untuk mendapatkan persamaan dasar gerak fluida, filosofi berikut selalu diikuti : a. Memilih prinsip fisika dasar dari hukum–hukum fisika ( Hukum Kekekalan Massa, Hukum Kedua Newton, Hukum Kekekalan Energi ). b. Menerapkan prinsip-prinsip fisika di dalam

model aliran. Penerapan pada software yang digunakan, yakni CFD meliputi input-input kondisi fluida yang menjadi media aliran; antara lain:

2.4.1 Boundary Condition Inlet Adalah input aliran fluida path kondisi normal tanpa adanya fenomena yang terjadi. Massa dan Momentum

Momentum yang terjadi pada aliran fluida yang dipengaruhi oleh massa dan kecepaan dengan vector kecepatan U, V dan W. arah yang diambil dalam perlakuan terhadap boundary adalah arah normal terhadap domain. Komponen kecepatan aliran (Cartisien Velocity Vector) adalah dengan resultant:

U inlet

= U spec

j + V

spec

i + W

spec

k

Tekanan Total

tekanan Total, Ptot, untuk fluida didefinisikan sebagai P

tot = P

stat

KecepatanLaju Aliran Massa

Batas laju aliran massa, ditentukan sepanjang arah komponen, dimana influx massa dihitung menggunakan rumus :

ρU = m/∫s dA

2.4.2 Boundary Condition Outlet

Kecepatan outlet Komponen kecepatan outlet boundary adalah komponen cartisian velocity

Vector U

outlet = U

spec

i + V

spec

j + W

spec

k

Tekanan outlet fluida

Tekanan outlet fluida adalah tekanan static inlet ditambah perubahan tekanan yang terjadi

P tot

= P stat

+ 1/2 ρU2

2.4.3 Boundary Condition Wall

Tekanan Statis rata-rata Walk Relativ Static Presure adalah Pav = PdA A ∫ PdA

Mass Flow Rate Out Distribusi massa di daerah wall ditentukan oleh aliran berat massa : m = p A Dimana nilai F dihitung sehingga : m

tot = Σ

all m

Dan gaya adalah jumlah dari seluruh aliran massa pada wall boundary. Sehingga F dapat dirumuskan sebagai berikut: F = PdA

2.5 Computional Fluid Dynamic

CFD adalah salah satu poduct software yang dikeluarkan oleh ANSYS,banyak jenis poduct ANSYS yang biasa digunakan untuk keperluan engineering antara lain » ANSYS CFD » ANSYS CFX » ANSYS FLUENT » Dll » ANSYS Explicit STR Sebelum data yang ada dapat kita olah dengan CFD ada beberapa langkah yang harus kita lakukan hingga didapat model yang diinginkan.Adapun untuk mencapai maksud tersebut akan digunakan beberapa software lainya yaitu.

2.5.1 Autocad Software untuk memberikan input tambahan gambar. tambahan gambar tersebut adalah skeg.selain itu autocad juga membantu dalam menentukan letak koordinat yang akan digunakan pada software CFX. Karena model yang dibuat dalam 3 dimensi maka untuk titik- titik yang diperlukan cukup banyak dan kompleks sehingga software ini cukup membantu untuk mengetahuinya.

2.5.1 Ansys ICEM Software ini digunakan untuk memberikan surface dan berperan dalam proses meshing,yang nantinya akan di import ke dalam ANSYS CFX

2.5.3 Ansys CFD

Program CFD yang digunakan disini adalah sebagai alat bantu pemodelan pada sistem propulsi yang telah kita tambahi dengan skeg.Dari pemodelan ini nantinya akan diperoleh data yang kemudian akan dianalisa lebih lanjut sehingga hasil akhirnya dapat diketahui seberapa besar efek dari penambahan skeg pada kapal Patroli Type 36 m

CFD disini terdiri atas tiga element utama yakni :

a. Pre Processor b. Solver c. Post Processor

a

a. Pre Processor Pada tahap awal pemrograman

ini terdiri dari input masalah aliran untuk CFD melalui interface kemudian mengubahnya

Pre Processor Tahap ini secara garis besar adalah membuat model dengan tipe / bentuk yang dapat dideskripsi oleh solver, meliputi :

Icem:

Geometry design &

Pre Processor

Solver :

Iteration

CFX-Post :

Analize

a. Membentuk geometri benda dan daerah sekeliling benda sebagai domain / boundary komputasi b. Membentuk Grid Generation atau membagi domain yang telah ditentukan menjadi bagian yang lebih kecil (sub-domain) c. Penentuan kondisi – kondisi yang dimiliki maupun dialami oleh model misal: penentuan sifat-sifat fluida,seperti pendefinisian harga kecepatan, temperatur fluida, kondisi permukaan benda dan lain-lain d. Penentuan kondisi batas model geometri, lokasi pembuatan kondisi batas harus ditentukan baik pada daerah disekeliling benda maupun pada aliran yang diperhitungkan e. Penentuan besar kecilnya atau kekasaran Grid (Mesh) Jumlah cell / bagian kecil dalam grid (mesh) menentukan akurasi penyelesaian CFD. Pada umumnya semakin banyak cell semakin akurasi penyelesaianya. Daerah yang memiliki perubahan bentuk yang sangat tajam,biasanya proses meshing dilakukan dengan sangat halus, sedang untuk daerah yang lain dilakukan agak kasar.

Solver (Penyelesaian Perhitungan)

Solver dibagi menjadi tiga jenis, yaitu finite difference, finite element dan finite volume. Secara umum metode numerik solver tersebut terdiri dari langkah-langkah sebagai berikut :

a. Pendeteksian bentuk-bentuk sesuai keperluan untuk running dan meshing; menjadi surface, edge, point dan solid. b. Pembuatan mesh dan memasukkan label kondisi c. Penyelesaian dari persamaan aljabar menggunakan iterasi dan loop.

Post Processor & Visualisasi Disini proses perhitungan secara iterasi

kemudian Disini proses perhitungan secara iterasi kemudian memberikan hasil file yang kemudian dapat ditampilkan dan diolah sesuai dengan item yang ingin dianalisa contoh velocity, pressure, dll.

3.Metodologi

3.1 Umum

Suatu karya ilmiah yang baik memiliki metodologi yang akurat dan terperinci dengan sumber informasi yang seluas-luasnya. Dalam pengerjaan tugas akhir ini untuk mencapai hasil yang diinginkan, diperlukan kerangka pengerjaan yang terstruktur. Kerangka ini berisi urutan proses pengerjaan mulai pengumpulan data sampai diperoleh hasil akhir.

3.2 Tahap Awal

Pada tahap awal ini adalah menentukan perumusan dan pengidentifikasian masalah yang akan dihadapi dimana selanjutnya akan dijadikan acuan untuk menenukan metode penyelesaian yang akan digunakan.

Permasalahan yang akan dibahas adalah bagaimana menganalisa apa yang terjadi dalam penggunaan skeg pada kapal patroli tipe 36

Dimensi dari masing-masing propeller yang digunakan diambil dari data kapal patroli tipe 36 yang didapat dari tugas akhir

3.3 Penggambaran Model

Simulasi model dimulai dengan penentuan geometri skeg dan propeller. Setelah diperoleh bentuk geometri, maka penggambaran 3d model dapat dilakukan. Terdapat beberapa program desain yang digunakan yaitu program penggambaran CAD dan penggambaran surface model dengan program surface modeling and meshing.

Bentuk geometri dasar diperoleh dengan program CAD, pada program ini hanya dibuat bentuk dua dimensi model yang berupa garis dan kurva. Geometri dua dimensi ini selanjutnya diimport ke program surface modeling and meshing untuk pembuatan surface atau lapisan kulit (permukaan). Desain yang diperoleh ini menjadi gambar tiga dimensi yang memiliki permukaan.

Agar dapat dianalisa, geometri yang telah dibuat harus memiliki boundary condition dan domain. Boundary condition merupakan kondisi atau jenis dari batas area kerja fluida misal sisi masuk (inlet), sisi keluar (outlet), objek simulasi. Sedangkan domain

menunjukkan jenis fluida kerja yang digunakan misal air, udara dan padat (solid). Pada simulasi ini, geometri yang telah menjadi permukaan (surface) selanjutnya diberi volume yang berupa susunan partikel berbentuk tetra (meshing). Pemberian volume domain menggunakan program surface modeling and meshing dimana semakin kecil ukuran tetra maka keakurasian simulasi juga semakin tinggi namun waktu simulasi juga semakin lama.

3.4 Simulasi

Analisa objek yang telah memiliki volume mesh dan boundary condition menggunakan program simulasi CFD dan solver untuk proses analisa.

Pada proses ini (pre), boundary condition yang telah dibuat selanjutnya diberi parameter-parameter input yang lebih spesifik. Boundary condition diusahakan sesuai dengan kondisi sebenarnya. Digunakan domain yang berputar (rotating) untuk propeller dan domain stasioner (stationer) untuk model kapal Penyelesaian dari input parameter simulasi menggunakan program solver, dimana menggunakan iterasi persamaan fluida untuk menghasilkan parameter sesuai dengan input masukan.

4.Analisa data dan pembahasan

4.1 Proses Penggambaran kapal dari data

utama kapal Sesuai dengan data utama kapal sebagai berikut

akan dibuat model kapal dengan bantuan maksurf pro.

LOA : 36 m LWL : 34.05 m LPP : 33.29 m B : 7 m Draft : 3.35 m T : 1.9 m Cb : 0.4 Sistem Prop : FPP Panjang poros : 5.6 m Panjang stern tube: 3.4 m Propeler : diameter 1,04 m

type B4-40

kapal serta tipenya. Untuk kapal patroli, maka tipe yang digunakan adalah tipe ’frigate’ yang berbentuk langsing Bagian depan kapal juga dibentuk ’deep V’ dengan tujuan untuk membelah air pada saat melaju pada kecepatan tinggi.

Merancang suatu model menggunakan software ini juga mengandung unsur manual yakni dalam hal membuat konstruksi body plan. Manual yang dimaksud adalah menarik point/titik yang membentuk bodyplan sehingga sesuai dengan bentuk yang diinginkan.hingga didapat gambar 3D yang akan diproses lebih lanjut dalam software ansys 11.0

Gambar 4.1 gambar kapal tanpa skeg

pada ansys ICEM 4.2 Skeg

Untuk menentukan dimensi dari skeg harus ditentukan dahulu dimensi dari ruder,karena luasan skeg dipengaruhi oleh luasan rudder dalam kaitannya dengan kemampuan olah gerak kapal adapun Luas rudder kapal adalah Untuk kapal dengan 2 daun kemudi luasan rudder adalah : A = 3% x Lwl x T = 3 % x 32.18 x 1.9 =1.88 m2 Sehingga luasan skeg adalah a =30 % x 1.88 = 0.55 m Dengan luas yang ditentukan maka akan ditentukan lagi dimensi dari skeg itu sendiri (P x

L),konfigurasi dari keduanya akan dijadikan variasi dalam analisa data yang dilakukan. Disini aka diberikan 2 variasi dimensi skeg yaitu 1.Variasi P x L=1 x 0.55

Adapun untuk profil dari foilnya dipilih

profil NACA series 0025. Gambar4.2 gambar ukuran dimensi skeg Untuk profil dari foil skeg itu sendiri yang diambil dari NACA seies 0025 adalah sebagai berikut: Gambar 4.3 gambar foil skeg yang diambil

Selanjutnya Skeg akan dipasang pada lambung kapal,dan berikut adalah hasilnya:

Gambar 4.4 gambar skeg yang sudah melewati tahap meshing.

4.3 Propeller Data propeller yang digunakan :

- Type : Propeller B-series(B4-40)-

-Diameter : 1.05 m

- P/D : 0,8

- Rotation : Righ Hand(port side dan tengah) : Left hand(starboard)

- Blade : 4 blade

Gambar 4.5 gambar propeller

4.4 Simulasi Model kapal dan propeller yang telah

dibuat pada subbab sebelumnya disimulasi dengan menggunakan software CFD. Data yang didapat dari proses simulasi nantinya juga digunakan sebagai validasi dengan menggunakan perhitungan matematis. Ada beberapa langkah yang harus dilakukan dan ditentukan pada proses simulasi dengan menggunakan software CFD ini, yaitu :

Dalam pengerjaan tugas akhir ini proses runing dibagi menjadi dua yaitu proses runing pada lambung kapal yang digunakan untuk mendapatkan Va.Lalu Runing pada masing-masing propeller untuk mendapatkan nilai T

(thrust propeller),pada runing lambung kapal digunakan metode free surface,sedangkan pada propeller digunakan metode rotating

Domain Domain merupakan daerah batas atau

ruang lingkup fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja.Domain yang digunakan adalah domain stationer dimana fluida yang bekerja pada adalah airdan udara.

Pada domain stationer, area yang meliputi ke dalam domain ini yaitu model kapal . Aliran fluida yang bekerja pada saat melewati domain ini bergerak translasi.

Boundary Boundary atau bisa juga disebut kondisi

batas dibuat untuk mengetahui karakteristik benda dan fluida agar mendekati dengan kondisi yang sebenarnya. Pada simulai ini benda diletakan pada sebuah kotak dengan ukuran panjang P x L x T = 70 x 10 x 10

Kondisi batas yang dibentuk diantaranya berupa inlet yaitu sebagai saluran masuknya fluida, outlet sebagai saluran keluarnya fluida dan wall (dinding pembatas) yang digunakan sebagai boundary pada model kapal yang berupa opening pada sisi kanan kiri dan atas serta wall pada bagian dasarnya.

Inlet

Pada simulasi ini metode yang digunakan adalah metode free surface sehingga ada dua jenis fluida yang masuk ke dalam simulasi yaitu air laut dan udara.Parameter kecepatan yang dimasukan adalah kecepatan dinas kapal yaitu sebesar 20 knot.

Outlet Outlet merupakan bagian dari domain

stationer dengan parameter yang dipakai adalah tekanan statis dengan ekspresi Downpres atm yang bersifat relative terhadap tekanan fluida pada domain.

Wall

Wall merupakan dinding pembatas fluida kerja yang dikondisikan pada model percobaan. Wall disini adalah sebuah persegi panjang ditetapkan sebagai left,right,dan top dengan parameter opening, sedangkan bottomnya diambil parameter wall,pada parameter opening aliran fluida yang bekerja pada percobaan dianggap tidak akan memantul kembali ke dalam silinder jika mengenai silinder pembatas tersebut. Sedangkann model kapal dan skeg yang digunakan juga bertipe wall tetapi dengan parameter no slip yang artinya tidak terdapat gesekan pada kedua model tersebut apabila dilewati fluida kerja.

Solver Program solver CFD ini bertujuan untuk

melakukan proses pengolahan data dengan perhitungan numerik komputer dari semua parameter-parameter yang telah ditentukan pada domain dan boundary condition di atas.

Pada tahap ini, parameter yang digunakan adalah

Maximum iteration = 50

Timescale control = Automatic time scale

Convergence criteria (residual target) = 1 x 10-4

Iterasi diatas digunakan untuk memperoleh konvergensi, yaitu kesesuaian (matching) antara input simulasi (boundary condition dan parameter lain) atau tebakan yang diberikan dengan hasil perhitungan yang diperoleh (kriteria output). Semakin kecil selisih konvergensi maka hasil yang diperoleh semakin akurat.

Post Tahap post ini bertujuan untuk

menampilkan hasil pengolahan data yang telah dilakukan pada proses solver. Hasil yang diperolah dapat berupa data numerik maupun data visual. Data yang diperoleh akan digunakan sesuai dengan tujuan dari percobaan yang dilakukan dan sebagai

validasi. Untuk proses validasi, data yang digunakan adalah kecepatan yang melewati area propelle yang diambil dari function calculator pada tahap post.

Berikut ini adalah contoh data visual yang diambil dari tahap post berdasarkan proses simulasi. Dalam tahap ini akan didapat nilai Va dari function calculator yang ada dalam post-CFD.Nilai yang didapat nantinya akan dijadikan inputan dalam proses simulasi berikutnya.yaitu proses simulasi pada bagian propeller.

4.5 Variasi Dalam tugas akhir ini variasi yang diberikan adalah variasi bentuk,berikut adalah tabel variasi yang diberikan.Variasi yang diberikan meliputi penempatan skeg,pemberian sudut 10° pada skeg dan penambahan sudut propeller sebesar 7° skeg yang bersudut. Berikut adalah tabel ketujuh variasi bentuk tersebut.

Variasi

Nama Variasi

Penempat

an pada area

1

Penempat

an pada area

2

Pemberian sudut pada skeg

Pemberian

sudut pada

propeller

1 Tanpa Skeg

2

Berskeg Tanpa sudut area 1 v

3

Berskeg dengan sudut area 1 v v

4

Berskeg dengan sudut area 1

propeller bersudut v v v

5 Berskeg Tanpa sudut

v

area 2

6

Berskeg dengan sudut area 2 v v

7

Berskeg dengan sudut area 2

propeller bersudut v v v

Tabel 4.1 tabel variasi bentuk model

4.6 Data yang Diperoleh dari Hasil Simulasi Kapal

Data yang diperoleh dari hasil

simulasi berupa data numerik adalah harga kecepatan yang melewati bidang propeller, serta dapat ditabulasikan pada tabel berikut :

Variasi

Va(m/s)

Propeller samping

Propeller tengah

tanpa skeg 9.07 8.95

Tabel 4.2 hasil simulasi tanpa modifikasi

Variasi

Va(m/s)

Propeller samping

Propeller tengah

Berskeg Tanpa Sudut 9.109 8.379

Berskeg dengan sudut 15 derajat

9.15 8.37

Berskeg dengan sudut 15 derajat dengan propeller tengah bersudut 7 derajat

9.16 9.3133

Tabel4.3 Hasil simulasi pada area 1

Variasi

Va(m/s)

Propeller samping

Propeller tengah



8.86 8.565


8.87 9.103

Tabel 4.4 hasil simulasi pada area 2

4.7 Simulasi pada propeller kapal. Propeller dan yang telah dibuat

sebelumnya disimulasi dengan menggunakan software CFD. Data yang didapat dari proses simulasi nantinya juga digunakan sebagai validasi dengan menggunakan perhitungan matematis. Ada beberapa langkah yang harus dilakukan dan ditentukan pada proses simulasi dengan menggunakan software CFD ini, yaitu :

Domain Domain merupakan daerah batas atau

ruang lingkup fluida dimana fluida tersebut berada dan bekerja. Pada simulasi ini akan dibuat dua domain yaitu domain rotating Dalam domain rotating, fluida kerja yang melewati suatu model akan berputar pada putaran tertentu. Dimana model yang termasuk kedalam domain rotating ini yaitu propeller. Pada simulasi ini direncanakan pada putaran propeller sebesar 150 Rpm.

Pada simulasi digunakan domain rotating dan digunakan parameter input berupa Va (kecepatan yang menuju propeller yang akan didapat dari proes simulasi dari bagian lambung kapal)

Q = VA. A

= VA. ¼ π D2 m3/s

= VA. ¼ π D2.ρ air laut

VA(advance velocity) merupakan kecepatan fluida yang menuju propeller.Parameter ini didapat dari proses runing pada lambung kapal

Sedangkan ”A” adalah luasan area inlet domain rotating sebagai tempat propeller. Dengan harga A sebesar 0.849 m2 dan ρ air laut sebesar 1025,9 kg/m3,dan akan didapatkan nilai massflow yang masuk.

Outlet merupakan bagian dari domain

stationer dengan parameter yang dipakai adalah tekanan statis rata-rata sebesar 1 atm yang bersifat relative terhadap tekanan fluida pada domain.

Wall

Wall merupakan dinding pembatas fluida kerja yang dikondisikan pada model percobaan. Silinder yang digunakan untuk meletakkan model propeller dan rudder berdiameter 6,4 m ditetapkan sebagai wall dengan parameter opening, dimana aliran fluida yang bekerja pada percobaan dianggap tidak akan memantul kembali ke dalam silinder jika mengenai silinder pembatas tersebut. Sedangakn model propeller dan rudder yang digunakan juga bertipe wall tetapi dengan parameter no slip yang artinya tidak terdapat gesekan pada kedua model tersebut apabila dilewati fluida kerja.

Solver Program solver CFD ini bertujuan untuk

melakukan proses pengolahan data dengan perhitungan numerik komputer dari semua parameter-parameter yang telah ditentukan pada domain dan boundary condition di atas.

Pada tahap ini, parameter yang digunakan adalah

Maximum iteration = 50

Timescale control = Automatic time scale

Convergence criteria (residual target) = 1 x 10-4

Iterasi diatas digunakan untuk memperoleh konvergensi, yaitu kesesuaian (matching) antara input simulasi (boundary condition dan parameter lain) atau tebakan yang diberikan dengan hasil perhitungan yang diperoleh (kriteria output). Semakin kecil selisih konvergensi maka hasil yang diperoleh semakin akurat.

4.8 Data yang Diperoleh dari Hasil Simulasi Propeller

Variasi T(N)

T total(N)

Propeller samping

Propeller tengah

Tanpa skeg 46206.3 47717.4 140130

Tabel 4.5 Hasil simulasi tanpa modifikasi

Variasi

T(N) T total(N)

Propeller samping

Propeller tengah

Berskeg Tanpa Sudut 43730.3

52707.3 140167.9


45106.6 50696.9 140910.1


45068.1 40382.3 130215.6

Tabel 4.6 hasil simulasi pada area 1

Variasi T(N)

T total(N)

Propeller samping

Propeller tengah

Berskeg Tanpa Sudut 44425.3 51431.5 1402

82.1


46780.4 50542.8 144103.6


47956 43807.4 139390.8

9 .Validasi

Validasi yang dilakukan adalah membandingkan data thrust yang didapat dari hasil simulasi menggunakan software CFD dengan hasil perhitungan manual karena tidak ada cara perhitungan pada kasus triple screw propeller maka digunakan perhitungan thrust pada kapal single screw dan double screw sebagai pembanding.Adapun perhitunganya adalah sebagai berikut:

T = R/(1-t)

T = thrust (gaya dorong yang diperlukan oleh kapal untuk menggerakan kapal pada kecepatan yang ddiinginkan)

R = Tahanan kapal

t = thrust deduction factor

tstandar = 0,5× − 0,12 P C ; Untuk kapal dengan baling-baling tunggal

= 0,5× − 0,19 P C ; Untuk kapal dengan baling-baling ganda

Dimana P C= b C/(Am/B.T)

=0.4/(10/6.319)

=0.4788

Pada single screw prop

T = R/(1-t)

=148/(1-0.1194)

=168.067 kN

Pada double screw propeller

T = R/(1-t)

=148/(1-0.05)

=155.789 kN

Hasil analisa thrust pada CFD untuk triple screw propeller

Variasi T(N)

T total(N)

Propeller samping

Propeller tengah

Tanpa skeg 46206.3 47717.4 140130

Tabel 4.8 tabel T(thrust)yang dibutuhkan oleh kapal

Tabel hasil Thrust pada kondisi tanpa modifikasi

Hasil perbandinganya dapat kita tampilkan dalam tabelberikut.

Validasi rudder Gaya lift

Perhitungan Manual Pada single screw prop 168067 N

Perhitungan Manual Pada double screw prop 155789 N

Simulasi CFD 140130 N

Tabel 4.8 tabel prebandingan T(thrust)

4.10 Pembahasan` Data- data yang ditabulasikan dalam

bentuk tabel pada subbab sebelumnya, kemudian akan di plot ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui karakteristik dari masing – masing model variasi yang telah dibuat.

4.10.1 Va(speed of advance) 4.9.1.1 Va pada Area 1

Variasi

Va(m/s)

Propeller samping

Propeller tengah



9.15 8.37


9.16 9.3133


Tabel 4.8 hasil simulasi pada area 1 Atau dapat digambarkan dalam grafik

Gambar 4.16.Grafik Va pada area 1

Gambar 4.17.Grafik Va pada area 1 Dari drafik tersebut dapat dilihat mana konfigurasi skeg yang paling optimal(paling besar nilai Va nya),adalah variasi ke 3,yaitu penambahan sudut sebesar 10° pada skeg dan pemberian sudut pada propeller sebesar 7°.Sedangkan pada variasi lainya terlihat pemberian skeg sama sekali tidak efektif,bahkan lebih buruk daripada

4.9.1.1 Va pada Area 2

Variasi

Va(m/s)

Propeller samping

Propeller tengah



8.86 8.565


8.87 9.103


Atau dapat digambarkan dalam grafik sebagai berikut.


Gambar 4.19.Grafik Va pada area 2 Sama seperti pada penempatan di area 1 pada area 2 penambahan skeg akan sama sekali tidak efektif tanpa memberikan penambahan sudut pada tengah propeller.Hal ini disebabkan karena distribusi aliran akan terarah pada salah satu sisi propeller dan sisi lainya akan “terkorbankan”.

4.10.2 Thrust 4.9.2.1 T pada Area 1

Variasi T(N)

T total(N)

Propeller samping

Propeller tengah

Berskeg Tanpa Sudut 43730.3 52707.3 140167.9


45106.6 50696.9 140910.1


45068.1 40382.3 130215.6

tanpa skeg 46206.3 47717.4 140130

Tabel 4.10 Tabel nilai thrust pada propeller area 1

Atau dapat diekspresikan dalam tabel.



Dari Grafik thrust pada penempatan skeg di area 2 dapat dilihat bahwa thrust yang paling optimal adalah penempatan skeg dengan sudut 10 ° dan pemberian sudut pada bagian tengah propeller sebesar 7°.hal ini dimungkinkan karena skeg yang ditambahkan akan menghalangi aliran air yang menuju ke propeller tengah,dan mengarahkanya ke propeller samping,sedangkan propeller tengah akan mengambil jatah air dari bagian bawah dari kedua bidang propeller yang samping.

4.9.2.2 T pada Area 2

Variasi

T(N) T total(N)

Propeller samping

Propeller tengah

Berskeg Tanpa Sudut 44425.3 51431.5 140282.1


46780.4 50542.8 144103.6


47956 43807.4 139390.8

tanpa skeg 46206.3 47717.4 140130

Tabel 4.11 Tabel nilai thrust pada propeller area 2

Dari tabel dan grafik di atas dapat diamati bahwa thrust yang paling efektif didapat pada konfigurasi yang sama dengan penempatan area 1 yaitu pemberian skeg dengan sudut 10° dan 7°

Dalam proses simulasi ini inputan kecepatan selalu sama yaitu kecepatan dinasnya(20 knot).sehingga nilai thrust yang paling optimal adalah thrust yang paling kecil,karena dengan thrust yang kecil kita sudah bisa mendapatkan kecepatan yang kita rencanakan.

Gambar 4.21.Grafik T pada area 2

Sedangkan grafik berikut adalah grafik nilai Va keseluruhan dari semua Variasi

Gambar 4.22.Grafik Va pada semua

Variasi Sedangkan grafik berikut adalah grafik T

secara keseluruhan dari semua variasi 4.10.3 Thp(Daya dorong kapal)

Dengan memasukan nilai Va dan Thrust

akan didapat nilai Daya dorong sesuai dengan rumus sebagai berikut.

THP = T x Va Berikut adalah table nilai Thp pada

penambahan skeg.

Dari kedua table diatas dapat dilihat nilai THP yang paling kecil adalah pada variasi penambahan skeg dengan sudut 10° dan poros tengah dengan sudut 7°.konfigurasi tersebut adalah konfigurasi yang paling optimal,karena dengan Thp sebesar itu kecepatan dinas sudah tercapai,dengan thp yang lebih kecil maka kebutuhan dayanya juga akan lebih kecil.Dengan asumsi system perporosannya sama.

5.Kesimpulan.

Setelah melakukan semua simulasi model yang direncanakan, dan berdasarkan hasil analisa serta pembahasan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1.Dari grafik nilai Va yang dihasilkan didapatkan bahwa nilai Va akan cenderung menurun pada penambahan skeg,Va baru akan naik setelah pemberian sudut pada propeller tengah.Nilai Va akan paling besar adalah pada variasi peletakan diarea 1 dengan pemberian sudut propeller sebesar 7° dan penambahan sudut penembahan skeg sebesar 10°dengan Va sebesar 9.3133 peningkatan sebesar 4.05 % pada propeller tengah dan 9,16 pada dengan peningkatan sebesar 1% pada propeller samping dari kondisi tanpa skeg.

2..Dari grafik nilai T yang dibutuhkan didapatkan bahwa nilai T cenderung naik pada penambahan skeg,T baru akan turun setelah pemberian sudut pada propeller tengah.Thrust yang paling optimal adalah pada variasi peletakan diarea 1 dengan pemberian sudut propeller sebesar 7° dan penambahan sudut penembahan skeg sebesar 10°dengan nilai T total pada propeller sebesar 130215.6 N atau lebih kecil dari Thrust pada kondisi tanpa skeg sebesar 7.07 %. 3.Dari grafik nilai Pt yang dibutuhkan didapatkan bahwa nilai Pt akan naik pada penambahan skeg,Va baru akan turun setelah pemberian sudut pada propeller tengah..Nilai Pt yang paling optimal didapat pada saat pada variasi peletakan diarea 1 dengan pemberian sudut propeller sebesar 7° dan penambahan sudut penembahan skeg sebesar 10°.Dengan nilai Pt sebesar 1201.740 kW atau lebih kecil 5.02% dari kondisi tanpa skeg

6. Saran

1.Agar didapat hasil yang lebih bagus running sebaiknya dilakukan menjadi satu,baik pada saat meshing maupun pada saat iterasi dengan metode interface pada ke 4 modelnya(3 propeller dan 1 buah lambung kapal).

2.Akan lebih baik jika jumlah variasi diperbanyak sehingga akan didapat perencanaan skeg yang paling optimal.

3.Sebaiknya jumlah iterasi diperbanyak sehingga hasil yang didapatkan akan lebih baik.

7. Daftar Pustaka

2006. “Spesifikasi Teknis Kapal Patroli Type 36 m”. PT PAHALA HARAPAN LESTARI

Adji, Suryo W. _. “Propeller Design”. Diktat Mata Kuliah Propulsi. JTSP-FTK-ITS.

Sujantoko. _. “Tahanan & Propulsi”. Hand out untuk Program Pendidikan Tinggi Teknik 1998/1999. FTK-ITS.

_.2002.”Tahanan Kapal”. Diktat Mata Kuliah Tahanan Kapal. JTSP-FTK-ITS

_.2001.”Propulsion of Ship”. Diktat Mata Kuliah Tahanan Kapal. JTSP-FTK-ITS

Harvald, Sv Aa. 1983. “Tahanan dan Propulsi Kapal”. Airlangga University Press.

Carlton, S.1994.”Marine Propellers and Propulsion”. Butterwoth Heinemann

www.ansysCFX.com

KAJIAN TEKNIS PENAMBAHAN SKEG PADA KAPAL ...skeg juga berfungsi untuk menambah suport poros sehingga...

Documents

Transcript of KAJIAN TEKNIS PENAMBAHAN SKEG PADA KAPAL ...skeg juga berfungsi untuk menambah suport poros sehingga...