...

Analisa Penggunaan Waterjet Pada Sistem Propulsi Kapal Perang

by user

on
Category: Documents
7

views

Report

Comments

Transcript

Analisa Penggunaan Waterjet Pada Sistem Propulsi Kapal Perang
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
F-58
Analisa Penggunaan Waterjet Pada Sistem
Propulsi Kapal Perang Missile Boat Dengan
Kecepatan 70 Knot
Hanifuddien Yusuf, Agoes Santoso dan Amiadji
Mahasiswa Jurusan Sistem Perkapalan, Fakultas Teknik Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
Indonesia merupakan negara maritim dan kepulauan yang
terdiri dari ribuan pulau. Oleh karena itu, dibutuhkan alat
pertahanan yang sesuai untuk menjaga kelestarian alam dari
berbagai eksploitasi secara ilegal. Maka sebuah kapal perang
dengan kecepatan tinggi diperlukan untuk menjaga kelestarian
aset – aset negeri ini. Pada Tugas Akhir ini akan membahas
tentang perancangan sistem propulsi dengan menggunakan
penggerak waterjet pada kapal cepat. Kapal yang akan menjadi
acuan awal adalah kapal missile boat milik Iran dengan
kecepatan max 70 Knot. Perancangan berupa bentuk lambung,
pemilihan mesin penggerak, sistem transmisi, serta pemilihan
waterjet yang sesuai. Dalam perancangannya, kapal tersebut
menggunakan penggerak waterjet atau propeller super kavitasi,
yang penentuannya dapat dari nilai efisiensi propulsif yang
paling besar diantara kedua penggerak tersebut. Pada
perhitungan lainnya, diketahui nilai efisiensi propulsif dengan
menggunakan propeller super kavitasi yaitu sekitar 60% yang
lebih besar dari nilai efisiensi waterjet yaitu sebesar 58%.
Kata Kunci— missile boat, waterjet, efisiensi propulsif,
kecepatan 70 Knot
I. PENDAHULUAN
ndonesia merupakan negara maritim dan kepulauan yang
terdiri dari ribuan pulau. Dengan banyaknya pulau
tersebut, maka resiko untuk terjadinya tindakan kriminal
pun akan semakin besar pula.
Propulsi kapal dengan waterjet telah lama dikenal dan
digunakan sebagai sistem penggerak untuk berbagai jenis
kapal, namun aplikasi secara luas masih terbentur pada
efficiency propulsive nya yang relatif rendah jika
dibandingkan dengan sistem propulsi kapal yang
menggunakan propeller, terutama pada saat kecepatan kapal
yang relatif rendah.
I
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penjelasan Sistem Propulsi
Secara umum kapal yang bergerak di media air dengan
kecepatan tertentu, maka akan mengalami gaya hambat
(resistance) yang berlawanan dengan arah gerak kapal
tersebut. Besarnya gaya hambat yang terjadi harus mampu
diatasi oleh gaya dorong kapal (thrust) yang dihasilkan dari
kerja alat gerak kapal (propulsor). Daya yang disalurkan (PD )
ke alat gerak kapal adalah berasal dari Daya Poros (PS),
sedangkan Daya Poros sendiri bersumber dari Daya Rem (PB)
yang merupakan daya luaran motor penggerak kapal.
B. Macam Daya Pada Sistem Penggerak Kapal
Pada sistem penggerak di kapal terjadi berbagai macam
daya – daya yang bekerja. Macam – macam daya pada sistem
penggerak kapal tersebut diantaranya adalah: daya efektif
(PE), daya dorong (PT), daya yang disalurkan (PD), daya
poros (PS).
C. Jenis – jenis alat penggerak kapal
Berdasarkan prinsip kerjanya, alat penggerak pada kapal
(propullsor) adalah sebagai berikut: Fixed Pitch Propeller
(FPP), Controllable Pitch Propeller (CPP), Waterjet
Propulsion
System,
Contra
Rotating
Propeller,
Cyclodial/Voith Scheinder Propeller, Paddle Wheel, Azimuth
Podded Propeller, Ducted Propeller, Overlapping Propeller.
Secara garis besar, sistem umum waterjet adalah sebagai
berikut : inlet, diffuser, pompa, nozzle
D. Pemilihan Main Engine
Pada setiap tipe kapal memiliki perbedaan kecepatan yang
tergantung dari kegunaan kapal tersebut. Sebagai contoh pada
kapal perang diharapkan memilki kecepatan yang tinggi,
berbeda dengan kapal niaga yang relative rendah, yang
mengutamakan power yang lebih besar dibandingkan dengan
kecepatannya. Berikut ini adalah macam – macam engine
yang digunakan pada kapal, diantaranya : medium and high
speed diesel engine, low, speed diesel engine, electric
transmission, turbin gas, turbin uap, combined plant.
E. Efisiensi Pada Sistem Propulsi Waterjet
Efisiensi – efisiensi yang terdapat pada sistem propulsi
waterjet ialah sebagai berikut : efisiensi waterjet, efisiensi
pompa, efisiensi sistem transmisi, efisiensi lambung kapal,
efisiensi propulsif keseluruhan (OPC).
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
F-59
III. METODOLOGI
A. Identifikasi dan Perumusan Masalah
Awal tahapan dalam perngerjaan skripsi ini adalah dengan
mengidentifikasi permasalahan yang ada dan perumusan
masalah yang nantinya akan diselesaikan selama pengerjaan
skripsi ini. Masalah pada skripsi ini adalah bagaimana
merancang lambung dengan tahanan terkecil dan displacement
terbesar, bagaimana cara memilih mesin penggerak, dan
pemilihan waterjet yang tepat agar diperoleh efisiensi yang
paling besar.
B. Studi Literatur
Untuk pencarian berbagai referansi dan literatur dilakukan
di beberapa tempat, antara lain : perpustakaan Pusat ITS,
ruang Baca FTK, laboratorium Komputer dan Sistem Jurusan
Teknik Sistem Perkapalan FTK
C. Pengumpulan Data
Pengumpulan data dilakukan guna menunjang dalam
pengerjaan skripsi kedepannya. Data-data yang diperukan
untuk penyelesaian skripsi ini yaitu data Kapal Perang missile
boat, data dari main engine dan waterjet yang dipilih.
D. Perancangan Lambung
Dari data – data missile boat milik Iran yang diperoleh,
maka dirancang sehingga dapat menghasilkan nilai tahanan
terkecil dengan nilai displacement terbesar.
E. Penentuan Main Engine
Setelah ditentukan lambung yang sesuai, maka dapat
dihitung nilai daya yang harus dapat dihasilkan ME. Serta
menentukan ME yang sesuai untuk kapal tersebut.
F. Perhitungan Eficiency Propulsive Total
Dari melakuan perhitungan efficiency propulsive total yang
terjadi pada sistem propulsi. Perhitungan efficiency propulsive
total meliputi Efisiensi sistem jet yang dihitung dari kecepatan
aliran jet, kerugian pada nossel, kerugian pada saluran inlet,
efisiensi pompa, relative rotative efficiency, secara umum
harganya mendekati 1, efisiensi badan kapal.
G. Penentuan Spesifikasi Waterjet
Pada tahap ini dilakuakan perhitungan daya yang
dibutuhkan untuk menggerakan missile boat pada kecepatan
70 knot, sehingga bisa dipilih spec dari waterjet yang akan
dipakai.
H. Analisa Kemungkinan Kavitasi
Setelah ditentukan spec waterjet yang dipilih, tahapan
selanjutnya adalah melakukan analisa tentang seberapa besar
kemungkinan terjadinya kavitasi pada sudu – sudu. Serta cara
mengatasi kemungkinan kavitasi tersebut.
I. Penarikan Kesimpulan dan Saran
Tahap ini merupakan tahapan akhir dimana dilakukan
penarikan kesimpulan mengenai keseluruhan proses
yang telah dilakukan. Selain itu, juga memberikan saran
terkait dengan penelitian selanjutnya.
Gambar. 1. Flow chart pengerjaan tugas akhir
J. Alur Penelitian
Metodologi yang dilakukan pada percobaan ini
berdasarkan pada flow chart yang di tunjukan pada
gambar 1.
IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN
A. Penentuan Tahanan Kapal
Tahapan dari penentuan tahanan kapal yang terjadi adalah
sebagai berikut :
- Perancangan model kapal
Pada perancangan selanjutnya hasil dari perancangan awal
dimodifikasi sedemikian rupa sehingga memperoleh nilai
displacement yang tinggi tanpa ada kenaikan nilai tahanan.
Sehingga didapat bentuk lambung kapal sebagai berikut :
Lpp
: 20.653 meter
Lwl
: 21.273 meter
B
:5
meter
H
: 2.5
meter
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
T
: 1.2
meter
Cb
: 0.434
Vs
: 70 knots
Disp
: 51.7 ton
Rt
: 102.95 kN
- Penentuan nilai daya yang dibutuhkan dari Engine
Ada beberapa macam cara untuk menentukan nilai tahanan
total kapal. Tetapi dalam perancangan ini menggunakan
metode Savitsky. Karena metode Savitsky digunakan pada
kapal – kapal dengan bentuk lambung V. Pada analisa ini
menggunakan software hullspeed, dengan metode savitsky
planning power, sehingga didapat nilai tahanan total sebesar
102.95 kN.
B. Penentuan Daya Motor Penggerak Utama
Perhitungan daya untuk penentuan kebutuhan engine berdasar
pada kecepatan maksimal kapal yaitu 70 knot. Dengan tahanan
yang bekerja pada badan kapal sebesar 102.95 kN.
1. Perhitungan daya efektif kapal (EHP)
EHP = Rt x Vs
Jadi :
EHP = 4971.59HP
2. Perhitungan gaya dorong yang dibutuhkan kapal, dapat
dirumuskan :
T = Rt / (1-t)
Jadi :
T = 102.95 kN
T = 102.95/2 kN
T = 51.48 kN
= 11572.04 lbs
3. Perhitungan dimensi jet dan OPC sistem waterjet
BHP1 = (T/z) x (Vs/OPC)
Jadi :
BHP1 = 3707.31 kW
= 4971.59 HP
Daya total 2 engine, 2 waterjet :
BHP2 = BHP1 x 2
= 9943.17 HP
4. Perhitungan SHP
SHP = BHP1 x ƞT
ƞT = 0.98
SHP = 4872.15 HP
Untuk penentuan nilai Diameter inlet pompa waterjet
menggunakan diameter inlet dari pemilihan waterjet dengan
nilai DHP yang didapat. Waterjet yang dipilih pada pilihan
wartsilla waterjet dengan input power sebesar 3633.17 kW dan
kecepatan output waterjet sebesar 35 knot adalah 910 size,
sehingga dapat diketahui :
Di = Diameter inlet wartsilla 910 size
Di = 910 mm
= 0.910 m
Lalu dilakukan perhitungan terhadap rasio luasan nozzle
sebagai berikut :
Ai = π/4 x Di2
An = AR x Ai
Jadi :
Ai = 0.65 m²
F-60
An = 0.08 m²
Lalu dapat diketahui luasan nozzle sebagai berikut :
Dn = √
Jadi :
Dn = 0.32 m
5. Perhitungan fraksi arus ikut (w)
w = (T/(p . Qj . V))+1 - JVR
Sehingga dapat dihitung nilai Vi, sebagai berikut:
Vi = (1-w) x Vs
= 34.21 m/s
Setelah diketahui nilai Vi, maka nilai kecepatan aliran
outlet (Vj) dapat diketahui, sebagai berikut :
Vj =
)
√(
= 47.71 m/s
JVR = Vj/Vs
= 1.32
Kapasitas Aliran yang melewati jet/nozzle (Qj) sebagai
berikut :
Qj = An x Vj
= 3.72 m3/s
Nilai dari fraksi arus ikut dapat dihitung kembali sebagai
berikut :
w = (T/(p . Qj . V))+1 - JVR
= 0.050
6. Perhitungan laju aliran massa (m)
m = ρ x Qj
Jadi :
m = 3814.38 kg/s
μ = Vs/Vj
μ = 0.75
7. Perhitungan efisiensi jet ideal dan efisiensi jet aktual
ηjideal =
= 0.86
Dengan persamaan berikut dapat dihitung harga efisiensi jet
aktual (ηjaktual) untuk sistem waterjet sebesar :
ƞjaktual =
μ
Jadi:
ƞjaktual = 0.618
8. Perhitungan Overall Propulsive Coefficient (OPC)
OPC = ƞj aktual x ƞp x ƞrr x ƞT (1-t)
Jadi:
OPC = 0.58
9. Kebutuhan Power Engine pada kecepatan maksimal :
a. Perhitungan DHP
b. Perhitungan SHP
c. Perhitungan BHPscr
d. Perhitungan BHPmcr
Daya BHPscr diambil 85%
BHPmcr = BHPscr/0.85
= 5287.59 HP
= 3942.96 KW
Maka dipilih turbin gas VERICOR TF40 dengan Continous
power 3700 kW, Boost power 4073 kW. Sedangkan untuk
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
Gambar. 2. Grafik yang menunjukan matching point
pemilihan waterjet berdasarkan besar DHP, yang diplot pada
diagram dari catalog Wrtsilla waterjet.
C. Perhitungan Kecepatan Service
a. Penentuan BHPmcr
Untuk penentuan kecepatan service kapal, dengan
mengunakan nilai BHP pada matching point yaitu sebesar
818.67 kW dan putaran dari gearbox sebesar 1155 RPM.
b. Perhitungan BHPscr
BHPscr = BHPmcr x 0.85
Jadi :
BHPscr = 3400.23 HP
c. Perhitungan SHP
SHP = BHPscr x ηG
Jadi :
SHP = 3332.22 HP
d. Perhitungan DHP
DHP = SHP x ηsηb
Jadi :
DHP = 3265.58 HP
e. Perhitungan Vs
DHP = (T/z) x (Vs/OPC)
Jadi :
T x Vs = 3761.20 HP
EHP = 3761.20 HP
= 2804.72 kW
Metode Holtrop
Vs = 41 Knot
Metode Savitsky
Vs = 60 Knot
D. Engine Waterjet Matching
Waterjet beroperasi pada kecepatan variabel tergantung pada
daya yang diserap. Daya serap vs rpm dari waterjet mengikuti
kurva kubik pada operasi normal. Penyerapan tenaga vs rpm
lebih tinggi bila kecepatan kapal dikurangi, dengan
permintaan torsi maksimum terjadi saat bermanuver astern.
F-61
Gambar. 3. Grafik yang menunjukan nili Nss minimal
E. Persyaratan Kavitasi
Untuk menentukan nilai head loss yang masih dapat diterima,
maka perlu adanya nilai NPSH yang telah ditentukan terlebih
dahulu.
1. Perhitungan putaran pompa
Besarnya putaran pompa pada sistem waterjet diketahui dari
besar putaran dari ME yaitu sebagai berikut :
N dari ME = 15400 RPM
Rasio Gearbox = 1 : 8
Jadi :
N pompa = 1925 RPM
2. Perhitungan head loss mayor
Re =
Jadi :
Re = 26204828.8
Kekasaran relatif saluran = e/D = 0.00051
didapat nilai friction factor sebesar : 0.016
Berdasarkan diagram moody, didapat nilai friction factor
adalah sekitar 0.016. Sehingga dihitung nilai head loss mayor:
hL1 =
Jadi :
hL1 = 4.20 m
3. Perhitungan head loss minor untuk saluran inlet
Sehingga nilai head loss minor untuk saluran inlet sesuai
dengan persamaan berikut:
hL2.1 =
Jadi :
hL2.1 = 2.39 m
4. Perhitungan head loss minor untuk belokan
Bentuk saluran yang direncanakan mempunyai dua belokan
dengan nilai r/D = 4 dan nilai Le/D = 9. Sehingga besarnya
head loss minor untuk belokan sesuai dengan persamaan
berikut :
hL2.2 =
Jadi :
hL2.2 = 4.20 m
5. Head loss minor untuk pengecilan bertahap
Besarnya nikai koefisien kerugian (K2) untuk pengecikan
bertahap pada saluran waterjet, dengan sudut pengecilan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
penampang antara 15º - 40º adalah 0.05. Sehingga nilai head
loss minor untuk pengecilan penampang adalah :
hL2.3 =
Jadi :
hL2.3 = 2.99 m
6. Head loss minor untuk nozzle
Besarnya nilai koefisien kerugian (K2) untuk nozzle pada
waterjet adalah 0.06. Sehingga besarnya head loss minor
untuk nozzle adalah :
hL2.4 =
Jadi :
hL2.4 = 3.58 m
7. Perhitungan head loss total
hLT = hL1 + hL2
Jadi :
hLT = 17.36 m
8. Perhitungan head pompa
H=
Jadi :
H = 73.76 m
9. Perhitungan putaran spesifik pompa
√
Ns =
Jadi :
Ns = 18575.99
Dari nilai putaran spesifik tersebut, maka tipe pompa yang
akan digunakan yang sesuai dengan nilai Ns > 10000 adalah
pompa axial flow.
10. Perhitungan Net Positive Suction Head (NPSH)
Perhitungan NPSH adalah sebagai berikut :
NPSH =
Jadi :
NPSH = 70.78 m
= 232.21 ft
11. Perhitungan putaran spesifik hisap
Besarnya putaran spesifik hisap sesuai dengan persamaan
berikut :
√
Nss =
Jadi :
Nss = 7859.42
Beberapa pabrik pembuat pompa termasuk pompa untuk
waterjet mengidentifikasikan zona operasi ke dalam diagram
operasi pompa seperti ditunjukan pada gambar di bawah :
F. Penentuan Kesesuaian Antara Displacement pada
Gambar Dengan Displacement Perencanaan
Untuk menentukan apakah suatu permodelan lambung
sudah mampu mengangkut muatan dan mampu menahan berat
kapal itu sendiri, yaitu dengan merencanakan nilai LWT dan
DWT kapal tersebut. Sebagaimana perhitungan di bawah ini.
- Perhitungan LWT
Untuk mengetahui nilai LWT yaitu dengan mengetahui
nilai dari parameter – parameter berikut :
1. Berat baja kapal (Wst)
F-62
Wst = 7.391 ton
= 2.88 ton Al
2. Berat outfit dan akomodasi (Woa)
Woa = 0,4 Lpp B
= 42.2 ton
= 16.44 ton Al
3. Berat Instalasi permesinan (Wm)
Berat total ME = 1.204 ton
Berat total waterjet = 5.45 ton
Berat total AE = 3.723 ton
Berat total peluncur missile = 2 ton
Berat total permesinan (Wm)= 12.38 ton
4. Berat Cadangan (Wres)
Wres = 3% (Wst+Woa+Wm)
= 0.951 ton
Jadi :
Wst = 2.88 ton
Woa = 16.44 ton
Wm = 6.927 ton
Wres = 0.788 ton
LWT = Wst+Woa+Wm+Wres
= 32.65 ton
- Perhitungan DWT
Perhitungan DWT untuk kapal missile boat ini berdasarkan
kebutuhan muatan consumable yang terdiri dari :
1. Kebutuhan bahan bakar MDO
WMDO total = 11.61 ton
2. Kebutuhan minyak pelumas
W pelumas = 2.25 ton
3. Kebutuhan air tawar (Wfw)
Wfw total = 0.22 ton
4. Berat muatan missile
Berat missile = 0.1 ton
Jumlah missile = 16
Berat total = 1.6 ton
DWT = Berat bahan bakar + Berat minyak pelumas + Berat
air tawar + Berat missile
= 15.86 ton
- Perhitungan Berat Sisa
Berikut adalah selisih berat displacement pada gambar
dengan berat displacement perencanaan :
Δ pada gambar = 51.7 ton
LWT perencanaan = 32.65 ton
DWT perencanaan = 15.86 ton
Δ perencanaan = 48.51 ton
Maka :
Selisih Displ. = 51.7 ton - 48.51 ton
= 3.19 ton
G. Perhitungan Perencanaan Gearbox
Dalam pemilihan gearbox menggunakan rasio 1 : 8, dimana
pemilihannya dengan cara memesan di produsen gearbox.
Perencanaan awal dalam pemesanan adalah :
Penentuan nilai rasio gearbox pada gearbox 1
Penentuan nilai diameter gearbox menurut Marine
engineering-marine power and propoltion fall 2006 adalah
sebagai berikut :
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
F-63
Gambar. 4. Keterangan dalam perhitungan gearbox
gear ratio = R =
R=
Penentuan nilai torsi pada gearbox 1
τ = P x 5252 / n
Maka nilai torsi pada gearbox 1:
τ = P x 5252 / n
= 9779.65 Nm
Penentuan nilai rasio gearbox pada gearbox 2
Penentuan nilai diameter gearbox menurut Marine
engineering-marine power and propoltion fall 2006 adalah
sebagai berikut :
gear ratio = R =
Gambar 5. Gambar hasil perancangan
R=
V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Penentuan nilai torsi pada gearbox 2
τ = P x 5252 / n
Maka nilai torsi pada gearbox 2:
τ = 39118.61 Nm
H. Analisa dan Pembahasan
Pada bentuk lambung yang baru didapat nilai tahanan
sebesar 102.95 kN dengan nilai displacement sebesar 51.7 ton.
Penambahan nilai displacement tersebut dikarenakan
pelebaran lambung di daerah parallel middle body, sedangkan
untuk mencegah bertambahnya nilai tahanan maka di bagian
haluan diperuncing.
Dengan nilai daya yang dibutuhkan Main Engine tersebut,
pemilihan Main Engine yang sesuai adalah turbin gas, karena
bobotnya yang ringan, getaran yang ditimbulkan kecil dan
ruangan untuk instalasi yang lebih kecil dibanding dengan
diesel engine dan turbin uap.
Digunakan gearbox yang dapat mereduksi putaran dengan
perbandingan 1 : 8. Dalam perencanaanya gearbox diperoleh
dengan cara by request dengan persaratan mampu menahan
torsi sebesar 9779.65 Nm dan 39118.61 Nm.
Penentuan ukuran nozzle pada catalog Wartsilla waterjet
tersebut diperoleh dari nilai OPC yaitu sebesar 50%,asumsi
untuk mengetahui nilai DHP.
Maka ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Dalam perancangan lambung, nilai tahanan yang kecil dapat
dicapai dengan bentuk lambung yang runcing di bahian
haluan, dan bentuk lambung planning hull yang dapat
mengurangi tahanan di kecepatan tinggi.
2. Dalam pemilihan waterjet yang perlu diketahui adalah nilai
daya pada shaft, yang nantinya akan disalurkan ke poros
pompa waterjet.
3. Nilai OPC (efficiency overall) dari waterjet yang dipilih
yaitu sebesar 58%.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Adji, S.W., 2006. Pengenalan Sistem Propulsi Kapal.
[2] Morley S. Smith, Speed Boat Developments from the Past Into the
Future
[3] H. Poehls, Lectures on Ships Design & Ship Theory, Rina 1977
[4] Adji, S.W., 2005. Engine Propeller Matching.
[5] D.G.M. Watson (1998). Practical Ship Design, British Library
Cataloguing in Publication Data, ISBN: 0-08-044054- I, Netherlands
[6] Haris Ari, 2010. Menghitung Efisiensi Propulsif, Tehnik Sistem
Perkapalan ITS, http://www.scribd.com/doc/59317371/29/II-3-10-5MENGHITUNG-EFISIENSI-PROPULSIF
Fly UP