propeller komposit

8/18/2019 Propeller Komposit

1/8

S em i n a r N a s i o n a l Te k n i k M e s i n I V

3 0 Ju n i 2 0 0 9 , S u r a b ay a , I n d o n e s ia

42

RANCANGAN ALTERNATIF PROPELLER KOMPOSIT BAGI KAPAL IKAN

TRADISIONAL

Ida Bagus Putu Sukadana1)

, I Wayan Suastawa2)

Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bali

1,2)

Bukit Jimbaran,Tuban, Badung 80714 Indonesia1,2)

Phone: +62- 361-701981, Fax: +62- 361-701128 1,2) E-mail :

[email protected]

1), [email protected]

2)

ABSTRAK

Berdasarkan observasi di beberapa daerah pesisir yang merupakan sentra nelayan tradisional,

semua unit kapal ikan jenis payang menggunakan sistem propulsi (penggerak) yang seragam, yang

ditentukan berdasarkan “kebiasaan” bertahun-tahun dan ketersediaannya di pasaran. Propeller

(baling-baling) yang digunakan berdiameter hingga 600 mm terdiri dari 3 daun dan berbahan

logam. Propeller tersebut diproduksi secara massal, dengan desain seragam untuk berbagai jenis

kapal sehingga belum tentu optimal untuk kapal ikan dengan bentuk lambung kapal spesifik.

Material logam juga dikenal rentan terhadap korosi, apalagi untuk propeller yang beroperasi di

dalam air laut. Akibatnya, nelayan seringkali direpotkan dengan penggantian propeller. Maka,

teknologi yang tersedia saat ini memiliki karakteristik kurang mengadopsi teknologi tepat guna.Seiring dengan program pemberdayaan komunitas nelayan tradisional dan isu hemat energi, maka

penyediaan teknologi tepat guna berupa propeller yang murah namun dapat diandalkan menjadi

penting untuk diupayakan.

Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan prototipe propeller berbahan komposit melalui

serangkaian proses perancangan. Penggunaan material komposit merupakan solusi yang layak

untuk mengakomodasi kriteria propeller murah, tahan korosi, ringan dan mudah direparasi. Aspek

hemat energi dipenuhi dengan mendesain geometri propeller optimal sedemikian rupa sehingga

memiliki efisiensi yang cukup tinggi. Propeller harus mampu dioperasikan pada kisaran putaran

kerja motor induk yang memerlukan konsumsi bahan bakar minimal, sehingga dapat mengurangi

biaya operasional kapal. Bahan propeller komposit jauh lebih ringan daripada bahan logam,

sehingga mampu mengurangi inersianya.

Penelitian dilakukan di Pengambengan, Negara sebagai sentra pelabuhan ikan di Bali.

Pengumpulan data sebagai basis perancangan dialukan dengan observasi terhadap keberadaan

perahu nelayan dan propeller yang digunakan, pencatatan data utama serta wawancara dengan

warga nelayan. Data utama yang diperlukan untuk mendapatkan parameter propeller yang optimal

meliputi kecepatan kapal, spesifikasi motor induk dan sistem transmisinya serta parameter utama

lambung kapal. Optimasi parameter utama propeller dilakukan dengan metode Kuiper berbasiskan

torsi dengan bantuan piranti lunak PROPTIMA-Professional1. Analisa kekuatan daun propeller

kemudian dilakukan dengan Cantilever Beam Method (CBM). Diagram open water propeller

digunakan untuk analisis hidrodinamis, sedangkan prediksi kinerja propeller dilakukan dengan

menerapkan prosedur prognosis kecepatan (speed prognosis).

Hasil rancangan berupa propeller dengan parameter utama diameter (D) = 469 mm, rasio luasan

daun (BAR) = 0,394, rasio kisar (P/D) = 0,784 dan jumlah daun (Z) = 3. Geometri propeller

mengacu Wageningen B-series standar propeller. Analisis dengan CBM menunjukkan tegangan

maksimum terjadi di pangkal bilah propeller (r=0,25R) sebesar 30,3 MPa. Berdasarkan tegangan

maksimum yang terjadi, material komposit yang dipilih adalah berbasis E-Glass fiber dengan

tegangan tarik maksimum yang diijinkan = 69 Mpa. Analisis terhadap kinerja hidrodinamisrancangan propeller menunjukkan efisiensi open water mencapai 0.64 , 20% lebih tinggi daripada

propeller terpasang di kapal. Pada putaran motor maksimum dengan rasio gear 1:3,22 propeller

dapat mendorong kapal dengan kecepatan 8,5 knot.

Kata kunci : propeller, kapal ikan, komposit

1 Proptima-Professional merupakan piranti lunak hasil karya mahasiswa Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 2005


2/8



43

1. PendahuluanAkibat kondisi pemodalannya, komunitas nelayan

tradisional (yang tersebar hampir di sepanjang pantai

Nusantara) lebih mengandalkan teknologi sederhana

dan murah. Berdasarkan survei awal, propeller yangdigunakan pada perahu nelayan tradisional kebanyakan

berbahan besi tuang. Pertimbangannya, harganyarelatif murah. Efek penggunaan propeller murah iniadalah resiko kurang kuat menahan beban, rentan

terhadap benturan dan laju korosi yang lebih cepat.

Perawatan dan penggantian propeller saat persiapan

melaut adalah pemandangan yang umum di kapal ikan

tradisional. Masyarakat nelayan tradisional memanglebih menyukai hal-hal praktis dan ekonomis, namun

seringnya penggantian propeller justru dapat menjadi

salah satu sumber pemborosan. Propeller berbahan komposit adalah salah satu

alternatif yang patut dipertimbangkan. Dengan

keunggulan rasio kekuatan terhadap berat yang cukup

tinggi, material ini sangat cocok diaplikasikan pada perahu dan kapal-kapal kecil dengan beban propeller

yang relatif rendah. Teknik pembuatan propeller dengan bahan komposit juga tidak serumit teknik yang dipakai

untuk pembuatan propeller berbahan logam, sehingga

dapat mengurangi ongkos produksi. Berdasarkan gagasan tersebut, maka penelitian ini

bertujuan untuk merancang prototipe propeller

berbahan komposit bagi kapal ikan tradisional jenis payang ( purse seine), dengan batasan daya motor

maksimum 30 HP dan kecepatan kapal maksimum 10

knot. Untuk mengakomodasi aspek hemat energi, makarancangan prototipe harus mempertimbangkan

parameter optimum yang menghasilkan efisiensi

propeller maksimum. Dengan demikian, penelitian ini juga menganalis kinerja hidrodinamis prototipe untuk

mengetahui tingkat efisiensi propulsi yang dihasilkan.

Hasil penelitian diharapkan dapat memberikan manfaatantara lain pengembangan iptek di bidang propeller

komposit, mengingat teknologi ini belum banyak

dikembangkan dan diterapkan bagi armada kapal diIndonesia, serta pemberdayaan komunitas nelayan

tradisional melalui penyediaan teknologi sederhana danmemperhatikan aspek hemat energi.

Propeller berbahan komposit pada awalnya

ditujukan untuk pesawat terbang (aerofoil) karena

konstruksinya yang sangat ringan dibanding propellerlogam [1]. Karena keunggulannya ini ditambah dengan

sifatnya yang anti korosi, material komposit mulai

dilirik untuk bahan propeller kapal, terutama yang

berukuran kecil [2] hingga untuk kapal niaga [3].Penggunaan material komposit untuk propeller

kapal bukanlah hal yang baru. Salah satu produk propeller kapal berbahan komposit yang telah dikenal

adalah ConturProp berbahan komposit serat karbon [4].Propeller ini dikembangkan oleh AIR Fertigung-

Technologie GmbH sejak tahun 1993 dan mulai

diproduksi massal pada tahun 1995 dengan penggunakebanyakan merupakan kapal pesiar ( yacht ) dan kapal

militer. Daunnya terbuat dari komposit yang dapat

dilepas dari hub-nya yang terbuat dari logam.Pengembangan produk serupa dengan teknik

penyambungan yang hampir sama diproduksi pula oleh

Propulse AB Swedia, Pirhana Amerika dan Composite Marine Propeller Amerika. Semua produk tersebut

ditujukan untuk kapal-kapal pesiar, militer, dan kapalniaga [5]. Belum satu pun desain yang ditemuimengarah khusus untuk kapal nelayan; modern maupun

tradisional. Di Indonesia, teknologi serupa bahkan belum mendapatkan perhatian serius.

Dalam konteks roadmap penelitian terkait, riset

pendahuluan tentang propeller telah diawali dengan pengembangan data propeller bagi kapal cepat [6].

Hasil yang didapatkan berupa data-data karakteristikopen water propeller kapal cepat, yang dapat

dimanfaatkan dalam proses perancangan dan analisiskinerja hidrodinamis propeller kapal cepat. Analisis

spesifik tentang analisis kinerja propeller Wageningen B-series serta aspek vibrasinya juga telah dilakukan [7].

Hasilnya menunjukkan bahwa Propeller seri

Wageningen kurang optimum bagi kapal cepat, namun bagus untuk kapal berkecepatan rendah, seperti kapal

ikan sebagai obyek penelitian ini. Meski berorientasi

kapal cepat, namun metode penggunaan formula polinomial untuk menyatakan karakteristik open water

propeller pada kedua penelitian dapat diterapkan pula

pada desain propeller kapal ikan tradisional. Sehubungan dengan terbatasnya data tahanan

(resistance) kapal ikan tradisional yang sangat

diperlukan dalam tahap awal desain propeller, makasebuah penelitian terkait telah dilakukan [8]. Hasilnya

adalah data-data tahanan kapal ikan tradisional (jenis

payang) pada kondisi beban kapal kosong. Akibatdimensi model yang digunakan dalam penelitian relatif

kecil, maka data tahanan kapal pada kondisi bebankapal penuh yang dihasilkan kurang valid.

Dengan berbasiskan beban kapal kosong tersebut,

sebuah model propeller optimum bagi kapal ikantradisional telah berhasil dirancang [9]. Detil geometri

propeller dibangun dengan mengadopsi profil propeller

standar Wageningen B-Series. Pembahasan mengenaimetode perancangan dari proses optimasi geometri

utama hingga pembuatan detil profil bilah akan dibahas

pada makalah ini.

2. Metodologi2.1. Definisi Operasional dan Variabel

Untuk menjelaskan substansi dan arah penelitian,

maka beberapa terminologi yang digunakan dalam penelitian dijelaskan sebagai berikut.

Propeller atau baling-baling adalah salah satu

komponen utama dalam sistem penggerak kapal

yang bekerja secara aksial untuk menghasilkangaya dorong.

Komposit yang dimaksud dalam penelitian ini adalah

material yang tersusun dari serat dan matrik,dimana bahan serat adalah fiberglass dan resin


3/8



44

sebagai matriknya.

Kapal ikan tradisional adalah kapal yang digunakanuntuk menangkap ikan di laut yang memiliki ciri

khas tradisional antara lain lambung berbahan

kayu, sistem propulsi dipasang di geladak(outboard ) dan kapasitas maksimal 25 ton. Jenis

kapal yang diteliti adalah kapal ikan payang.Variabel dan parameter yang terlibat dalam proses penelitian perlu didefinisikan. Variabel terdiri dari

parameter yang diperlukan untuk data input rancanganyang bersifat variabel bebas serta yang dihasilkan

dalam penelitian yang bersifat terikat. Variabel input

meliputi :Kecepatan kapal (Vs) adalah kecepatan maju

maksimum kapal pada kondisi beban kosong

(dalam knot)

Daya motor induk (PB) adalah daya nominal motor penggerak kapal (dalam kW)

Rasio gear box (r) adalah perbandingan antara putaranmotor induk dengan putaran propeller (-)

Tahanan kapal (Rt) adalah hambatan total yang

dialami lambung kapal saat bergerak maju padakecepatan Vs (dalam kN)

Wake fraction (w) adalah koefisien interaksi yang

merupakan fraksi penurunan kecepatan kapal (-)Thrust deduction fraction (t) adalah koefisien interaksi

yang merupakan fraksi penurunan gaya dorong (-)

Variabel luaran terutama adalah beberapa parameter utama propeller, yaitu :

Diameter propeller (D) adalah diameter cakram yang

dibentuk daun propeller saat berputar (m)Jumlah daun (Z) adalah jumlah keseluruhan daun pada

satu unit propeller (-)

Rasio luasan daun (BAR) adalah perbandingan antaraluasan total permukaan daun propeller dengan

luasan cakram propeller (-)Rasio kisar (P/D) adalah perbandingan antara kisar

rata-rata daun propeller terhadap diameternya

Efisiensi propeller ( o) adalah efisiensi propeller padakondisi tanpa buritan kapal (open water ).

2.2. Metode Pengumpulan Data dan Sampelnya

Proses optimasi parameter utama propellermemerlukan data input berupa kecepatan kapal, daya

motor induk, rasio gear box, karakteristik tahanan kapal

dan karakteristik aliran buritan kapal. Tiga data pertamadidapatkan dengan pengumpulan data lapangan yang

akan dilakukan di sentra nelayan pantai Pengambengan,

Negara, Bali. Metode yang digunakan adalah observasi.

Populasi data yang diambil berjumlah 10 kapal berbedadengan kapasitas yang sama. Jenis kapal ikan yang

dipilih adalah kapal payang. Data input kemudian

ditetapkan dengan mengambil nilai rata-rata kecepatankapal dan daya motor induk, sedangkan rasio gear box

ditetapkan dengan mengambil nilai modusnya (karena

besaran ini sangat terikat dengan spesifikasi yang

beredar di lapangan).

Karakteristik tahanan kapal didekati dengan hasil

uji tahanan (resistance test ) yang telah dilakukan pada

penelitian terdahulu [8] sedangkan karakteristik aliran buritan kapal diprediksi dengan metode Holtrop [10].

2.3. Metode Pengolahan Data

Optimasi parameter utama propeller dilakukandengan metode Kuiper (1992) berbasiskan torsi [11]

sebab menggunakan data input daya motor. Asumsi dan batasan yang dipakai pada proses ini adalah :

• Propeller bekerja dalam kondisi kavitasimaksimum 2.5% back cavitation

• Diameter maksimum propeller adalah 70% saratkapal

• Efisiensi transmisi sistem propulsi diasumsikan98%

• Geometri propeller mengacu standarWageningen B-series

Proses optimasi dilakukan dengan bantuan piranti

lunak PROPTIMA-Professional. Program ini

mengadopsi metode optimasi Kuiper yangditerjemahkan ke dalam bahasa pemrograman. Metode

Kuiper pada dasarnya pemutahiran metode grafisdengan penerapan formula polinomial :

K Q = ∑=

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ 47

1

)()(n

v

ut

s

nn

nn

n Z Ao

Ae

D

P J C (1)

K T = ∑=

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ 39

1

)()(n

v

ut

s

nn

nn

n Z Ao

Ae

D

P J C (2)

dimana :

J : koefisien kemajuan (speed of advance)Ae/Ao : rasio luasan daun propeller (BAR)

P/D : rasio kisarZ : jumlah daun propeller

Cn : konstanta regresi dan sn , tn , un , vn adalah pangkat polinomial [12].Detil profil daun propeller dihitung berdasarkan

standar Wageningen B-series dengan input 4 data parameter utama propeller yang telah dihasilkan

melalui proses optimasi. Analisa kekuatan daun

propeller kemudian dilakukan dengan cantilever beam

method (CBM) sebagai langkah awal dalam

menentukan ketebalan minimum daun propeller pada

posisi kritis.

Semua gambar rancangan yang berupa gambarteknik, gambar detail dan gambar kerja, dibuat

berdasarkan metode Holst [13], dibantu dengan

program AUTOCAD 2008 serta gambar model 3D,dibuat dengan program CATIA V5R7.

Untuk memenuhi persyaratan rancangan yang

mengakomodasi aspek hemat energi, maka dilakkan

pula analisis kinerja. Karena pengujian hidrodinamismodel propeller tidak memungkinkan, maka kinerja

propeller dapat diprediksi dengan formula polinomial

yang tersedia, dengan dukungan data kecepatan kapal,tahanan kapal, jumlah daun propeller, rasio kisar serta

rasio luasan daun. Prediksi kinerja propeller dilakukan

dengan menerapkan prosedur prognosis kecepatan


4/8



45

(speed prognosis) [12]. Hasilnya akan memperlihatkan

efisiensi, koefisien thrust, koefisien torsi dan putarankerja propeller pada perubahan kecepatan kapal.

3. Hasil dan Pembahasan3.1. Data Input Optimasi

Sehubungan dengan ditemukannya variasispesifikasi komponen sistem propulsi yang digunakan,maka diperlukan penentuan sebuah nilai untuk masing-

masing parameter yang digunakan sebagai input

perancangan propeller. Nilai variabel input ditentukan

menurut trend data yang frekuensi penggunaannya

paling tinggi. Hasil pengolahannya tercantum padatabel 1.

Data parameter propeller yang selama ini terpasang

di kapal juga diambil sebagai bahan perbandingan hasilrancangan, dengan spesifikasi tercantum pada tabel 2.

Tabel 1. Hasil pengolahan data inputNo Data satuan mod mean SD

1 Kecepatan kapal knot 8 8.50 0.63

2 Daya motor induk HP 30 28,12 2,53 Putaran motor induk rpm 3600 3450 200

4 Rasio gear box - 3,22 2,97 0,28

Ket :

mod : frekuensi data yang paling sering muncul

mean : rata-rataSD : simpangan baku

Tabel 2. Spesifikasi propeller terpasang Parameter Dimensi satuan

25 inchDiameter (D)

635 mm

12 inchKisar (P)

304.8 mm

Rasio kisar (P/D) 0,48 -

Rasio luas daun (BAR) 0,35 -

Berhubung kapal sejenis telah diteliti pada

penelitian terdahulu [8] dimana data parameter badan

kapal telah didapatkan, maka penelitian inimemanfaatkan data tersebut. Data yang dimaksud

adalah :

Sarat kapal (T) = 1,8 m

Panjang kapal = 10,64 m

Tinggi sumbu propeller diatas garis dasar=0,45 m

Input data yang juga sangat mempengaruhi hasil

adalah koefisien interaksi yang merefleksikan aliran

yang memasuki daerah aliran propeller. Data ini berupa

koefisien fraksi aliran (w=wake fraction) dan fraksi

penurunan thrust (t=thrust deduction fraction). Nilaikoefisien tersebut didapatkan dengan pendekatanformula regresi Holtrop [11]. Hasilnya adalah :

w = 0,05

t = 0,0542

3.2. Optimasi Parameter Propeller

Titik desain propeller ditentukan pada rating

maksimum motor (20 kW pada 3600 rpm) berkorelasidengan kecepatan kapal sebesar 10 knot. Strategi ini

dipilih dengan harapan kapal dapat mencapai kecepatan

8 knot dengan motor induk bekerja di bawah ratingmaksimumnya, sehingga dapat memperpanjang umur

pemakaian motor dan menurunkan konsumsi bahan

bakar spesifik.Proses optimasi berbasis torsi dilakukan dengan

bantuan program PROPTIMA Professional. Programmengeluarkan dua hasil dengan kondisi berbeda. Hasilyang pertama mengindikasikan efisiensi propeller

tertinggi yang dapat dicapai pada tahap akhir iterasi pertama. Hasil yang kedua merupakan lanjutan iterasi

pertama, dimana parameter optimum BAR (atau Ae/Ao

pada program) diiterasi kembali dengan koreksiterhadap efek kavitasi. Parameter lainnya dikoreksi

untuk mencapai efisiensi propeller maksimum. Berikut

perbandingan keduanya disajikan dalam bentuk

tabulasi.

Tabel 3. Hasil proses optimasi parameter propeller

Iterasi Z BAR P/D o D(m)Thrust

(kN)

I 3 0.35 0.77 0.645 0.482 2.52II 3 0.394 0.784 0.640 0.469 2.41

Setelah iterasi kedua, rasio luasan bilah propeller

(BAR) harus ditingkatkan dari 0,35 menjadi 0,394 untuk antisipasi terhadap kavitasi. Hal ini

mengakibatkan turunnya diameter optimum dan

efisiensi open water . Pengecilan diameter justru

menguntungkan dari segi material sedangkan penurunan efisiensi dalam hal ini tidak signifikan. Efek

pengecilan diameter adalah turunnya gaya dorong

(thrust ) dari 2,52 kN menjadi 2,41 kN. Berdasarkanhasil penelitian Sukadana dan Husodo [8], pada

kecepatan 10 knot gaya dorong yang diperlukan adalahsebesar 4,7 kN yang harus diatasi oleh dua unit

propulsi. Untuk satu propeller, beban yang harusditanggung adalah 2,35 kN. Dengan demikian, propellerdengan parameter optimum yang dihasilkan pada iterasi

kedua masih memenuhi syarat secara teknis.

Dapat dirangkum bahwa hasil dari proses optimasi

parameter telah menghasilkan propeller denganspesifikasi :

3.3. Pemodelan Daun Propeller

Data parameter utama propeller yang telah

ditetapkan dari proses optimasi selanjutnya

diterjemahkan ke dalam bentuk rancangan detail berupa beberapa gambar. Gambar teknis dibuat untukmengetahui spesifikasi detail bilah propeller, bentuk

profilnya serta visualisasi bentangannya. Untuk

membantu visualisasi geometri aktualnya, diperlukantransformasi ke model 3 dimensi. Untuk membantu

pembuatan, diperlukan gambar pola elemen bilah

( pattern drawing), yang menunjukkan detil ordinat dan

ketebalan 10 posisi profil bilah.Basis utama semua gambar adalah detil dimensi

Z = 3 BAR = 0,394

D = 469 mm P/D = 0,784


5/8



46

setiap profil bilah pada 10 posisi ordinat radius

propeller. Data geometri yang dimaksud diperolehdengan input parameter utama propeller ke dalam

formulasi geometri profil propeller Wageningen B-

series. Hasilnya tercantum pada tabel 4.

Tabel 4. Geometri profil daun propeller

r/R r(mm)

c(mm)

a(mm)

b(mm)

t/D t(mm)

0.2 46.90 100.59 61.96 35.20 0.041 19.04

0.25 58.63 106.71 65.47 37.35 0.038 17.94

0.3 70.35 112.84 68.95 39.49 0.036 16.84

0.4 93.80 123.19 73.79 43.12 0.031 14.63

0.5 117.25 130.58 76.13 46.36 0.027 12.43

0.6 140.70 134.65 75.13 52.38 0.022 10.22

0.7 164.15 133.54 70.24 59.02 0.017 8.02

0.8 187.60 131.01 63.02 62.62 0.012 5.82

0.9 211.05 102.06 40.83 51.03 0.008 3.61

0.95 222.78 72.50 15.50 37.79 0.005 2.51

Keterangan :

r/R : posisi segmental elemen profil daunr : radius setiap profil daun

c : chord, panjang profila : jarak garis generator dari ujung depan profil

b : jarak ketebalan maksimum dari ujung depan profilt : tebal maksimum profil

Tabel 4 hanya menunjukkan ketebalan maksimum

masing-masing profil. Distribusi ketebalan pada titik

lainnya dibuat dengan tabel ordinat bagian muka dan punggung bilah setiap profil yang dimaksud. Dengan

menghubungkan titik-titik ordinat muka dan punggung

bilah, didapatkan bentuk profil yang diinginkan.

Berikut gambar teknik model propeller dengan detil profil per elemen menunjukkan posisinya terhadap garis

generator.

Gambar penampang depan daun propeller diatasmenunjukkan ketebalan profil semakin menipis ke

bagian ujung propeller, dimana bagian pangkal

memiliki ketebalan maksimum. Hal ini dimaksudkanuntuk antisipasi gaya sentrifugal yang bekerja disekitar

0,6R hingga 0,7R. Ketebalan maksimum setiap profil

juga terdistribusi dari arah depan (leading edge) secara

perlahan bergeser ke arah belakang (trailing edge).

Distribusi ini dimaksudkan untuk mendapatkan titik pusat massa bilah mendekati garis sumbu vertikalnya.

Untuk mendapatkan visualisasi prototipe yangsesungguhnya, diperlukan gambar 3 dimensi model.

Gambar ini disusun sesuai dengan konvensi kerangka

acuan yang berlaku, menurut International Towing

Tank Convention 1978 . Sumbu propeller (dan sekaligusmerupakan sumbu porosnya) terletak pada sumbu X

dengan tanda positif mengarah ke haluan kapal. Sumbu

Y terletak pada bidang yang tegak lurus dengan sumbuX dengan tanda positif ke arah lambung kanan

(starboard ), untuk propeller dengan putaran searah jarum jam. Sumbu Y merupakan sumbu vertikal dengantanda positif mengarah ke bawah. Menurut ketentuan

tersebut, maka profil bilah digambar sepanjang sumbu

Y dengan ketebalan mengarah ke sumbu X serta

susunannya per radius terbentang sepanjang sumbu Z.

Prototipe dirancang memiliki distribusi kisar yangkonstan sepanjang kenaikan radius bilahnya. Dengan

demikian, seiring kenaikan radius didapatkan sudut

kisar yang semakin mengecil, sehingga bentuk daun propeller dari pangkal hingga ke ujung terkesan

“terpilin” seperti tampak pada gambar 2.

3.4. Dimensi Boss Propeller

Dimensi bos propeller ditentukan dengan

menerapkan patokan dimensi oleh O’Brien [14].

Dimensi boss akan menentukan massa propellerkeseluruhan sehingga akan berdampak terhadap momen

inersia propeller. Momen inersia dapat mempengaruhi

karakteristik getaran sistem propulsi. Dari sisihidrodinamis, bos dengan dimensi yang terlalu besar

juga akan berdampak negatif terhadap sifat aliran yang

melewati bilah propeller.

Dengan demikian, dimensi bos juga diupayakansekecil mungkin, namun masih memungkinkan

penempatan poros dan bilah propeller. Sesuai dengan

dimensi dan geometri poros propeller yang memilikitaper 1: 10 pada bagian bos, maka bagian dalam bos

juga disesuaikan. Rancangan bos yang ditetapkan

adalah seperti terlihat pada gambar 3.

Gambar 1. Gambar teknik model propeller

Gambar 2. Model 3 dimensi propeller,

menunjukkan detil profil setiap posisi radius serta

erubahan sudut kisarn a


6/8



47

Visualisasi rancangan akhirnya dapat diperkuat

dengan penyajian model 3 dimensi sebagai satu unit propeller. Pada tahap ini posisi sambungan bilah

dengan boss-nya dapat diamati, seperti terlihat pada

gambar 4.

3.5. Analisis Kekuatan Daun Propeller

Analisis kekuatan dilakukan dengan metode yang paling sederhana, cantilever beam method (CBM).

Perhitungan kekuatan hanya dilakukan terhadap elemen

profil 0,25R, sebagai titik yang dianggap paling rawan.Sesuai dengan metode yang diberikan oleh Carlton

[14] hasil yang didapatkan untuk elemen profil 0,25 R

(r = 58,63) dirangkum sebagai berikut.

1. Massa satu bilah propeller = 0,351 kg

2. Modulus tarik penampang elemen = 3187 mm3

3. Gaya sentrifugal propeller = 556,7 N

4. Tegangan tarik maksimum (N/mm2)

a. Komponen akibat gaya dorong = 19,7 b. Komponen akibat torsi propeller = 7,53

c. Komponen akibat momen sentrifugal : 2,67

d. Komponen akibat gaya sentrifugal : 0,42sehingga tegangan maksimum yang bekerja pada

elemen bilah 0,25R = (a+b+c+d) = 30,3 N/mm2.

Hasil perhitungan di atas menunjukkan bahwakomponen akibat gaya dorong propeller mendominasi

tegangan elemen bilah pada pangkal, disusul oleh

komponen akibat torsi propeller. Hal ini menunjukkan

kesesuaian dengan hasil analisis terhadap beberapa

propeller yang digunakan pada beberapa tipe kapaldimana secara umum komponen gaya dorong memang

mendominasi. Secara teoritis, hal ini disebabkan oleh

posisi lengan momen gaya ini dari elemen bilah yangdianalisis terjauh yaitu 0.7R, dibandingkan dengan letak

titik berat bilah (0.5R) atau lengan momen torsi

(0.66R).

Komponen gaya sentrifugal dalam kasus inimemiliki kontribusi tegangan yang relatif rendah. Hal

ini dapat disebabkan oleh material yang digunakan berupa komposit memiliki densitas yang cukup rendah

dibandingkan material logam. Mempertimbangkan

tegangan maksimum yang timbul pada pangkal bilah

propeller, maka material yang digunakan adalah

komposit berbahan E-glass fiber yang memiliki

kekuatan tarik maksimum sebesar 69 MPa dengan

densitas 2075 kg/m3.

3.6. Analisis Kinerja Propeller

Propeller dirancang untuk dapat menyediakan gaya

dorong yang cukup untuk mengatasi beban kapal pada

kecepatan yang diinginkan. Di sisi lain, propeller jugadituntut untuk memiliki efisiensi yang cukup tinggi

untuk mendapatkan sistem propulsi yang hemat.Analisis hidrodinamis dapat digunakan untukmengungkap kemampuan ini, melalui analisis

karakteristik open water propeller dan prognosis

kecepatan. Semua proses ini juga dibantu PROPTIMAProfessional.

Analisis dilakukan dengan menggunakan diagramopen water propeller yang didapatkan dari formula

polinomial propeller Wageningen B-series dengan input parameter optimum yang telah didapatkan. Sesuai

dengan tujuan penelitian, maka parameter propeller

yang telah digunakan selama ini juga dijadikan input

sebagai bahan perbandingan. Nilai-nilai numerik yangdihasilkan PROPTIMA selanjutnya ditransfer dalam

bentuk file EXCEL untuk dibuatkan diagram seperti

terlihat pada gambar 5.

Gambar 3.Sketsa dimensi bos propeller

Gambar 4. Visualisasi 3D model propeller

Openwater diagram

(KT)1(10KQ)1

(ETAo)1

(KT)2(10KQ)2

(ETAo)2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.01 0.12 0.23 0.34 0.45 0.56 0.66 0.77 0.88

J

K T , 1

0 K Q , e

t

ETAo: efisiensi openwater

KT : koefisienthrust

KQ: koefisientorsi

Gambar 5. Diagram karakteristik open water

propeller hasil perancangan (indeks 1) dan

terpasang (indeks 2)


7/8



48

Kurva efisiensi open water menunjukkan bahwa

propeller hasil perancangan memiliki nilai maksimumlebih tinggi daripada propeller terpasang. Efisiensi open

water maksimum propeller hasil perancangan adalah

0.69 yang tercapai pada titik J = 0.68, sedangkan propeller terpasang hanya mampu menghasilkan

efisiensi open water maksimum sebesar0.53

pada titik J = 0.4. Secara teoritis, propeller hasil perancanganmampu memberikan efisiensi 30% lebih tinggi

daripada propeller terpasang.Pada pengoperasian sesungguhnya, yakni pada

kecepatan 10 knot dengan diameter rancangan sebesar

469 mm, maka titik operasi propeller berada pada J =0.55. Jadi, efisiensi aktual yang dihasilkan propeller

rancangan berada di bawah maksimumnya, yaitu

sebesar 0.64. Di sisi lain, propeller terpasang

dioperasikan pada titik J = 0.42. Dengan demikian,analisis terhadap kinerja propeller pada pengoperasian

sebenarnya mengindikasikan bahwa efisiensi openwater propeller hasil perancangan diprediksi 20% lebih tinggi daripada propeller terpasang.

Dengan diameter 35% lebih besar, dapat dipastikan propeller terpasang memiliki kemampuan gaya dorong

(thrust ) yang lebih tinggi daripada propeller hasil

perancangan. Namun, gaya dorong yang lebih tinggiini, terkorelasi pula dengan tenaga/torsi motor yang

lebih besar. Secara teoritis, hal inilah yang

menyebabkan propeller terpasang lebih boros tenaga.Faktanya, dengan diameter sebesar 635 mm semestinya

dioperasikan pada putaran yang lebih rendah (dengan

mengganti gear pereduksi putaran) sehingga didapatkanefisiensi propeller yang lebih tinggi. Namun, menurut

kajian yang telah dilakukan pada penelitian ini, dengan

spesifikasi motor penggerak dan rasio gear yangdigunakan, diameter 635 mm tidak optimum.

Disamping tinjauan terhadap efisiensi, kinerja propeller dalam hal mengakomodasi kecepatan kapal

yang diharapkan juga harus diketahui. Prognosis

kecepatan dilakukan dengan teknik pencarian koefisienK T /J

2 propeller yang setara dengan beban kapal, yaitu

K T /J 2 yang diturunkan dari tahanan kapal pada

kecepatan tertentu. Koefisien K T /J 2 propeller ditentukan

dengan formula polinomial dengan input parameter

optimum.

Output dari PROPTIMA adalah berupa tabulasi.

Untuk memperjelas hasil, disajikan prognosis kecepatandalam bentuk diagram berikut (gambar 6).

Pada gambar 6, PBmotor menyatakan kurva rating

nominal motor penggerak. PB prop merupakan kurva pembebanan propeller terhadap motor dan vs adalah

kurva kecepatan kapal yang diprediksi dapat tercapai.Kurva kecepatan naik secara kontinyu dengan pertambahan putaran motor, dengan peningkatan rata-

rata 0,7 knot untuk setiap kenaikan 250 rpm. Pada putaran maksimum kecepatan kapal yang tercapai

diprediksi sebesar 8,5 knot, masih memenuhi kecepatan

dinas yang umumnya diinginkan yaitu 8 knot. Hanyasaja, sesuai rancangan awal, kecepatan ini semestinya

tercapai pada saat motor dioperasikan di bawah rating

maksimumnya, misalnya 85% daya maksimum.

Kekurangan ini ditengarai disebabkan oleh penentuan putaran propeller yang terlalu tinggi pada titik desain

awal.Di sisi lain, karakteristik pembebanan propeller

terhadap motor menunjukkan performa yang baik. Pada

putaran kerja terendah, propeller hanya menyerap 30%daya motor. Pada putaran maksimum dengan masuknya

beban propeller ternyata daya yang tercapai hanya 85%

daya maksimumnya. Hal ini mengindikasikan pemilihan kisar ( pitch) propeller yang telah cukup baik.

4. KesimpulanBerdasarkan proses perancangan, didapatkan

rancangan propeller dengan spesifikasi sebagai berikut :

1. Diameter : 469 mm2. Jumlah daun : 3

3. Rasio kisar : 0,784

4. Rasio luasan daun : 0,3945. Bentuk profil : Wageningen B-series

Spesifikasi propeller diatas diaplikasikan untuk

kapal dengan sistem propulsi spesifik sebagai berikut :

• Rating maksimum motor : 20 kW pada 3600rpm

• Rasio gear penurun putaran : 1 : 3,22Kajian terhadap kinerja hidrodinamis propeller

menunjukkan hasil :

• Efisiensi propeller yang dirancang adalahsebesar 0,64, 20% lebih tinggi daripada

efisiensi propeller yang selama ini digunakan dikapal ikan obyek penelitian. Pada putaran

maksimum motor induk, propeller diprediksi

dapat menggerakkan kapal dengan kecepatan8,5 knot.

•

Hasil evaluasi sementara terhadap propeller

yang digunakan di kapal selama ini adalah

diameter non-optimum untuk putaran kerja1118 rpm (rasio gear 1:3,22)

4. Ucapan Terima KasihUcapan terima kasih penulis sampaikan kepada

Politeknik Negeri Bali (PNB) sebagai pihak penyandang dana penelitian dan pembina P3M-PNB

speed prognose

PBmotor

PBprop

vs :

4.2

vs :4.7

vs :

5.3

vs :

6.0

vs :

6.8

vs :

7.7

vs :

8.5

0

5

10

15

20

25

2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500

n (rpm)

PB (kW)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Vs(knot)

Gambar 6. Prognosis kecepatan kapal denganmenggunakan propeller hasil perancangan


8/8



49

atas saran-saran dan masukan selama proses penelitian

ini, sehingga dapat diselesaikan dengan baik. Terimakasih pula bagi Sdr. Dudik Agus Cahyono; staf PT.

PAL Indonesia dan mantan mahasiswa DIII Politeknik

Perkapalan Negeri Surabaya (PPNS-ITS); ataskegigihannya menuntaskan dan menyempurnakan

program Proptima-Professional hingga dapatmemberikan sumbangan bagi dunia perkapalan diTanah Air. Semoga kerjasama PNB, PPNS-ITS dan PT.

PAL Indonesia tetap terjalin erat.

5. Daftar Pustaka1. Hakim, A., 2007, Teknologi Material

Komposit. (http://www.forumsains.com/

Teknologi Material Komposit Forum Sains

Indonesia.htm, last visited on Thursday, 03April 2008)

2. Wozniak, C.D, ”Analysis, Fabrication and

Testing of Composite Bladed Propeller for a

Naval Academy Yard Patrol (YP) Craft”,Trident Scholar Report no.341, 2005, USNA

3.

ACMC, 2008, Composites: the Alternative toMetal Propellers,

(http://www.tech.plym.ac.uk/sme/composite

propellers.htm, last visited on Thursday, 03April 2008)

4. A Volonte, 2005, Move out of the “Bronze

Age” and into the “Space Age”,(http://www.compositecarbonfibreprop.com/av

olonte_brochure.htm, last visited on

Wednesday, 11 March 2009)5. Marsh, G., 2004, A New Start for Marine

Propellers,

(http://www.reinforcedplastics.com/features/53/marine/, last visited on Friday, 13 March

2009)

6. Sukadana, I.B.P, “Pengembangan DataKarakteristik Open Water Propeller Kapal

Cepat”, Laporan Penelitian DIK, Politeknik

Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, 20007. Sukadana, I.B.P., “Optimasi Desain Sistem

Propulsi Tipe V pada Kapal Patroli”. ThesisProgram Pasca Sarjana Teknologi Kelautan,

Institut Teknologi Sepuluh Nopember,

Surabaya, 2001

8. Sukadana, I.B.P., dan Husodo, A.W.,“ Resistance Test Model Kapal Ikan

Tradisional di Brondong”, Laporan Penelitian

DUE-Like, Politeknik Perkapalan Negeri

Surabaya, Surabaya, 20029. Sukadana, I.B.P, dan Suastawa, IW., “Rancang

Bangun Propeller Komposit pada Kapal IkanTradisional untuk Meningkatkan Efisiensi

Propulsi”, Laporan Penelitian DIPA,Politeknik Negeri Bali, Denpasar, 2008

10. Holtrop, J.A., “Statistical re-Analysis ofResistance and Propulsion Data”, Jurnal

International Shipbuilding Progress, Vol.31,1984

11. Kuiper, G., The Wageningen Propeller

Series, MARIN Publication, Netherland,1992

12. Carlton, J.S., Marine Propellers and

Propulsion, Butterworth-Heinemann Ltd,Oxford, 1994

13. Mannen,J.D.Van, dan Oosanen, P.Van., 1988.“Propeller Design”, Principles of Naval

Architecture 2nd

revision, Volume II, 1988,

hal. 183-21314. O’Brien, T.P., The Design of Marine Screw

Propellers, 3rd

revision, Hutchinson &Co.

Publisher, London, 1969

propeller komposit

Documents