Analisa Perbandingan Propeller Kapal Selam

Analisa Perbandingan Propeller Kapal Selam Tipe B-Series dan Au- Outline Gawn Series Pada Kapal Selam MIDGET TYPE 150M Untuk Mengoptimalkan Kinerja Kapal Selam Dengan Metode CFDAnggota Kelompok :

1. I Gede Bayu Pradnya Subagya

2. Muhammad Afiq ardianto

3. Jaka Umbara

4. Egar S H

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kapal selam merupakan kapal yang mampu beroperasi dibawah air dengan mandiri.[1] Kebutuhan perang Kapal selam perang dengan lambung yang efektif yang dirancang untuk beroperasi benar-benar tenggelam dilaut untuk waktu lama, dilengkapi dengan periskop dan biasanya di persenjatai dengan torpedo atau rudal[2].

Kapal selam untuk perang memiliki kriteria-kriteria khusus yang harus dipenuhi. Dari kemampuan bermanuver dibawah air, kemampuan untuk menyelinap ataupun memata-matai dan menyerang dari dasar laut tanpa terdeteksi terlebih dahulu.

Dalam kemampuan memata-matai Kapal selam didesain untuk tidak lambat dalam pergerakan dibawah air namun dalam pergerakannya dapat bergerak senyap dibawah air tanpa terdeteksi.

Kebutuhan yang paling penting bagi baling-baling kapal selam adalah rendahnya kebisingan yang ditimbulkan [3] sehingga tetap senyap bergerak dibawah air. Secara teroritis apabila propeller bergerak cepat dan memberikan gaya dorong yang besar maka akan menghasilkan gelembung - gelembung udara yang menghasilkan suara - suara sehingga terjadi aliran kavitasi yang dapat terdeteksi oleh radar musuh.

Pemilihan jumlah daun baling - baling, sudut skew, diameter dan jenis baling - baling didasari oleh besar kecilnya pengaruh terhadap dampak kavitasi yang ditimbulkan. Untuk sudut skew sangat berpengaruh pada fluktuasi torsi dan thrust yang meningkatkan terjadinya kavitasi pada propeller. Sedangkan jumlah baling - baling mempengaruhi pada fluktuasi thrust yang menyebabkan adanya thrust noise sehingga dipilih baling - baling minimum 7 untuk mengurangi hal tersebut. Untuk kapal selam biasanya ada sedikit pembatasan diameter dari pada kapal permukaan yang normal dan meningkatkan diameter berarti penurunan spesifik gaya dorong baling-baling dan kecepatan aliran rata-rata yang lebih tinggi. [3]

Dalam analisa sebelumnya kapal selam midget type 150m telah dianalisa dalam segi hambatannya dan didapatkan bentuk hull yang terbaik yang memiliki hambatan terkecil. Sedangkan dalam analisa variasi baling – baling ini bertujuan mendapatkan propeller yang dapat menunjang laju kapal selam dengan baik namun juga tetap mempertahankan ciri khususnya yaitu tidak terdeteksi oleh radar.

Dalam laporan tugas akhir ini akan dirancang variasi desain propeller kapal selam dengan gabungan variasi diameter, jumlah daun propeller, dan sudut skew dari propeller. Desain tersebut nantinya akan dianalisa menggunakan metode CFD untuk mengetahui apakah pengujian secara eksperimen dan secara CFD tidak jauh berbeda dan nantinya didapatkan bentuk propeller terbaik yang akan digunakan pada kapal selam yang sebelumnya telah diuji hambatannya.

Perumusan MasalahDengan memperhatikan pokok permasalahan yang ada terdapat pada latar belakang, maka diambil beberapa rumusan maslah sebagai berikut:

1. Berapakah gaya dorong yang dihasilkan, tekanan yang dihasilkan pada daun baling - baling dan bentuk aliran turbulen dari masing - masing desain propeller kapal selam dengan variasi diameter, jumlah daun dan sudut skew menggunakan tipe propeller B-series dan Au – outline gawn Series ?

2. Bagaimana hasil perbandingkan thrust, pressure dan aliran turbulensi dari variasi propeller B-Series dan variasi Au – outline gawn series ?

3. Manakah model propeller kapal selam yang optimum dengan thrust terbesar, pressure yang rendah dan aliran turbulen terkecil dari keempat variasi model propeller ?

Batasan Masalah

Batasan masalah di gunakan sebagai arahan serta acuan dalam penulisan tugas akhir, sehingga sesuai dengan permasalahan serta tujuan yang di harapkan. Batasan permasalahan yang di bahas dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

Propeller 1 yang digunakan adalah

Diameter : 0.94 [m]

Skew Angle : 31.6 [degree]

Pitch : 1.04

Blade Rasio : 0.61

No. Of Blade : 7

Type : B-Series


Diameter : 1.00 [m]


Pitch : 1.09

Blade Rasio : 0.59

No. Of Blade : 8

Type : B-Series


Diameter : 0.94 [m]


Pitch : 1.21

Blade Rasio : 0.59

No. Of Blade : 7

Type : Au outline gawn series


Diameter : 1.0125 [m]


Pitch : 1.09

Blade Rasio : 0.59

No. Of Blade : 8

Type : Au outline gawn series

1. Data propeller diambil dari spek propeller yang terdapat di dalam jurnal mendekati kesamaan dimensi dari propeller tersebut.

2. Hanya membandingkan desain yang ada.

3. Asumsi aliran di depan propeller steady-uniform

4. Analisa pada keadaan open water.

5. Kondisi thruster akan dianalisa pada keadaan statis sesuai dengan putaran yang dikehendaki.

6. Hanya menganalisa distribusi aliran fluida di belakang thruster.

7. Analisis yang dilakukan dengan mengabaikan faktor maupun kondisi aliran air (fluida) dari badan propeller.

8. Analisis biaya tidak diperhitungkan.

9. Menggunakan Ansys CFX sebagai software analisa CFD

10. Menggunakan metode Finite Volume Methode

11. Boss Cap menggunakan bentuk setengah lingkaran

12. Kemiringan pada Boss yaitu 10 derajat dari belakang propeller hingga boss cap

13. Tidak melakukan variasi bentuk Boss atau Hub

Tujuan PenelitianBerdasarkan latar belakang di atas maka maksud dan tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Mengetahui gaya dorong yang dihasilkan, tekanan yang dihasilkan pada daun baling - baling dan bentuk aliran turbulen dari masing - masing desain propeller kapal selam dengan variasi diameter, jumlah daun dan sudut skew menggunakan tipe propeller B-series dan Au – outline gawn Series.

2. Mendapat hasil perbandingkan thrust, pressure dan aliran turbulensi dari variasi propeller B-Series dan variasi Au – outline gawn series.

3. Mendapatkan model propeller kapal selam yang optimum dengan thrust terbesar, pressure yang rendah dan aliran turbulensi terkecil dari keempat variasi model propeller.

Manfaat PenelitianSetelah diketahui hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat kepada berbagai pihak diantaranya :

Bagi Peniliti:

Memberikan pemikiran dan ilmu pengetahuan tentang sistem propulsi kapal selam yang baik.

Bagi User:

Sebagai sarana untuk meningkatkan inovasi teknologi di Indonesia.

Memberikan dampak positif bagi pengembangan teknologi khususnya alusista Indonesia agar makin maju.

Bagi Dunia Pendidikan:

Memberikan sumbangan pemikiran dan hasil analisa tentang bidang perkapalan demi kemajuan ilmu perkapalan Indonesia.

Sistematika PenelitianGaris besar penulisan pada laporan tugas akhir ini, penulis membagi menjadi beberapa bab diantaranya:

BAB I PENDAHULUAN

Berisi tentang latar belakang, perumusan masalah, pembatasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Berisi tentang teori – teori yang mendukung dalam penyusunan tugas akhir ini, termasuk di dalamnya teori tentang tinjauan umum propeller, geometri propeller, karakteristik, dan instalasi pada propeller.

BAB III METODELOGI PENELITIAN

Membahas tentang metodelogi penelitian yang terdiri dari teori dan referensi penelitian, waktu dan tempat penelitian, metode pengumpulan data, analisa dan pengolahan data serta diagram alir penelitian.

BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISA DATA

Berisi tentang analisa 4 tipe thruster terhadap aliran fluida yang dihasilkan menggunakan software CFD perhitungan Thrust dan Torque dan hasil eksperimen deengan 1 model thruster yang mempunyai nilai optimal.

BAB V PENUTUP

Berisi tentang kesimpulan yang diambil dari hasil penelitian serta saran – saran yang membangun untuk melengkapi kekurangan dari hasil penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

2.1. Propeller (baling-baling) kapal

2.1.1 Propeller Kapal Selam

Desain dan pengembangan baling-baling untuk kapal selam dalam beberapa hal berbeda dari baling-baling untuk Kapal yang berada dipermukaan. Kebutuhan yang paling penting bagi baling-baling kapal selam adalah rendahnya kebisingan yang ditimbulkan. Dalam langkah-langkah proses desain prosedur desain yaitu termasuk perkiraan kecepatan [3]. Hal itu disebabkan ditakutkan adanya kavitasi yang menimbulkan kebisingan. Kebisingan disini diakibatkan oleh gelembung – gelembung air yang mendidih. Kavitasi sendiri terjadi karena peningkatan kecepatan dan penurunan tekanan yang menyebabkan mendidihnya air yang menghasilkan gelembung kavitasi. Gelembung yang bercampur dengan gas-gas lain disekitar menyebabkan terjadinya aliran kavitasi[4]. Akibat aliran kavitasi inilah yang dapat menyebabkan kapal selam mudah terdeteksi oleh radar musuh, hal ini yang dihindari dalam mendesain propeller kapal selam.

2.1.2 Hidrodinamika propeller

Dalam membuat bentuk dasar propeller[5], dibutuhkan bentuk yang hidrodinamis yaitu yang dinamakan Hidrofoil dimana menghasilkan suatu lift yang lebih besar dibandingkan dengan drag-nya. Pergerakan dari hidrofoil ini terjadi pada suatu media fluida dengan kecepatan yang memungkinkan terjadinya hidrodinamika. Hidrodinamika adalah peristiwa di mana kecepatan antara bagian atas dan bawah hidrofoil terjadi perbedaan. Fluida yang melalui bagian atas hidrofoil melaju lebih cepat daripada fluida yang melewati bagian bawah. Hal ini disebabkan adanya perbedaan tekanan antara aliran fluida bagian atas dan aliran fluida bagian bawah. Seperti yang kita ketahui bahwa besarnya tekanan berbanding terbalik terhadap besarnya kecepatan.

Sehingga yang terjadi adalah aliran fluida yang melalui bagian bawah hidrofoil lebih pelan bila dibandingkan bagian atas hidrofoil. Perbedaan tekanan yang terjadi inilah yang kemudian akhirnya menimbulkan fenomena lift atau gaya angkat itu.

Baling-baling ulir merupakan bentuk alat penggerak kapal yang paling umum. Sebuah baling-baling ulir mempunyai dua buah daun atau lebih yang menjorok dari hub atau bos . Bos ini dipasang pada poros yang digerakkan oleh mesin penggerak kapal. Daun baling-baling tersebut dapat merupakan bagian yang menyatu dengan hub, atau merupakan bagian yang dapat dilepas dari dan dipasang pada hub atau merupakan daun yang dapat dikendalikan (controllable pitch propeller) [5].

Baling-baling umumnya diletakkan pada kedudukan yang serendah mungkin di bagian belakang kapal. Suatu baling-baling harus mempunyai garis tengah (diameter) demikian rupa sehingga bila kapal dalam keadaan bermuatan penuh baling-baling tersebut akan terbenam dengan memadai sehingga dapat menghindari sejauh mungkin terjadinya fenomena terikutnya udara (airdrawing) dan pemacuan baling-baling (racing) ketika kapal mengalami gerakan pitching. Sebagai taksiran cepat dan kasar, garis tengah baling-baling harus lebih kecil daripada dua pertiga sarat buritan, yaitu:

2.1.4 Geometri

Permukaan daun baling-baling yang menghadap ke belakang disebut sisi muka, atau paras, (face) atau sisi tekanan tinggi, sedangkan sisi sebaliknya disebut punggung atau sisi belakang, (back) atau sisi tekanan rendah[8]

Bentuk sisi tekanan tinggi yang paling sederhana adalah permukaan berbentuk spiral (helicoidal surface). Permukaan ini dapat didefinisikan sebagai permukaan yang dibentuk oleh sebuah garis lurus, disebut generatriks atau garis generator (generatrix, atau generator line) yang berkisar mengelilingi suatu sumbu yang melalui salah satu ujungnya dan sekaligus bergerak ke sepanjang sumbu tersebut. Jarak aksial yang ditempuh dalam tiap kisaran disebut langkah atau jarak ulir P (pitch). Jika langkah ulir tersebut tetap maka berarti bahwa P untuk semua jari-jari dalam baling-baling demikian itu sama.

2.1.5 Karakteristik Baling-Baling

Secara umum karakteristik dari baling-baling kapal pada kondisi open water test adalah seperti yang direpresentasikan pada diagram KT – KQ – J. Setiap tipe dari masing-masing baling-baling kapal, memiliki karakteristik kurva kinerja yang berbeda-beda. Sehingga kajian terhadap karakteristik baling-baling kapal tidak dapat di-generalised untuk keseluruhan bentuk atau tipe dari baling-baling. Model persamaan untuk karakteristik kinerja baling-baling kapal adalah sebagai berikut :

Dimana:

KT = Koefisien gaya dorong baling-baling

KQ = Koefisien torsi baling-baling

J = Koefisien advanced baling-baling

Va = kecepatan advanced

D = diameter propeller

n = putaran propeller

T = thrust propeller

Q = torque propeller

ρ = massa jenis fluida (fluid density)

Untuk nilai effisiensi propeller pada open water diberikan rumus:

2.2 Computational Fluid Dynamics (CFD)

Computational Fluid Dynamics (CFD) [5], merupakan salah satu cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numerik dan algoritma untuk menyelesaikan dan menganalisa permasalahan yang berhubungan dengan aliran fluida. Tujuan dari CFD adalah untuk memprediksi secara akurat tentang aliran fluida, perpindahan panas, dan reaksi kimia dalam sistem yang kompleks, yang melibatkan satu atau semua fenomena di atas.

Ada beberapa keuntungan dari CFD berdasarkan pendekatan eksperimen untuk desain sistem fluida antara lain:

Meminimumkan biaya dan waktu dalam mendesain suatu produk, jika proses desain tersebut dilakukan dengan uji eksperimen dengan akurasi tinggi.

Mempunyai kemampuan sistem studi yang dapat mengendalikan percobaan yang sulit atau tidak mungkin dilakukan melalui eksperimen.

Mempunyai kemampuan untuk sistem studi di bawah kondisi berbahaya pada saat atau sesudah melewati titik kritis (termasuk studi keselamatan dan skenario kecelakaan).

Keakuratannya akan selalu dikontrol dalam proses desain.

2.3 Teori Baling-baling

Dalam Teori baling-baling[7], dijelaskan bahwa pada awalnya teori baling-baling dijelaskan dengan cara yang sangat sederhana, yaitu berdasarkan prinsip kerja mur dan baut (screw & nut). Menurut teori ini, effisiensi baling-baling dapat dihitung dengan persamaan :

2.4 Kavitasi

Kavitasi dapat didefinisikan sebagai proses dari tahapan fase uap air sebuah cairan ketika subjek tersebut mereduksi tekanan pada suhu lingkungan yang konstan. Demikian, proses dari pemanasan dalam cairan merupakan hasil dari reduksi tekanan daripada penambahan panas. Bagaimana pun, secara fisika dan termodinamika proses tersebut sama dalam beberapa hal. Pada propeller sendiri ketika tekanan turun mendekati nol maka akan mengakibatkan terjadinya gelembung air, sedangkan apabila tekanan terlalu tinggi dapat menyebabkan aliran yang tidak beraturan. Secara teori kavitasi yang terjadi pada propeller disebabkan oleh naiknya kecepatan yang menyebabkan penurunan tekanan. Pada aliran yang cukup tinggi, cairan pada bagian pangkal, ketika mengalami kecepatan tinggi dan tekanan rendah maka akan mulai mendidih. Gelembung – gelembung kecil terbentuk lalu merekapun bercampur dengan uap dingin dan mengakibatkan difusi udara dalam bentuk cairan.

Berikut merupakan beberapa langkah untuk mengurangi terjadinya kavitasi pada propeller, khususnya pada kapal selam.

1. Mengurangi Gaya Wake-Induced propeller

Parameter yang sangat penting harus diperhatikan pada gaya induksi propeller yaitu bidang bangunan itu sendiri yang mana sangat banyak sebab yang akan ditimbulkan. Meningkatkan jumlah daun propeller akan dapat mengurangi gaya yang tidak stabil dari setiap daun propeller, namun tidak semua gaya yang tidak stabil dapat aliran dapat teratasi.

Penambahan pada diameter propeller mungkin akan menambah atau juga mengurangi gaya yang tidak stabil tergantung pada distribusi radial dari bidang bangunan yang mengalirkan gaya yang tidak stabil.

2. Distribusi Skew, Pitch, dan Chamber

Aplikasi dari distribusi skew dapat mengurangi beberapa hal yaitu pertama fluktuasi pada thrust dan torque dan peningkatan kavitasi pada lingkungan seperti pada umumnya yang terjadi pada kapal yang berada dipermukaan. Namun, dengan penambahan sudut skew yang dibutuhkan dapat mempengaruhi terjadi pengurangan fluktuasi thrust dan torque secara signifikan juga bermasalah pada kelenturan juga tegangan pada badan propeller itu sendiri.

3. Daun Orthogonal dan Distribusi Sirkulasi

Dengan memperhatikan beban pada tip dan root dimana memiliki margin kavitasi yang cukup besar. Sekarang tidak terlalu berarti untuk memperkenalkan sirkulasi sebagai fungsi dari radius, sebagai gantinya dalam distribusi sirkulasi aliran diperkenalkan daun propeller orthogonal. Bentuk ini dipergunakan sebagai permukaan yang akan dilewati oleh aliran helocoidal melalu daun propeller. Hal ini akan membuat distribusi aliran yang tidak stabil akan berkurang dibandingkan propeller pada umumnya.

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Materi Penelitian Studi Literature

Materi penelitian yang dimaksud dalam penelitian ini meliputi data- data yang bersifat primer dan sekunder serta teori dan referensi yang menjadi dasar dalam penelitian ini.

3.1.1 Data –data Penelitian

a) Data Primer

Data – data yang dikumpulkan antara lain meliputi :

1. Principle Dimension dari Propeller modelling refferences.

2. Kondisi Batas pada penentuan input CFX Software.

b) Data Sekunder

Untuk data- data yang bersifat sekunder antara lain :

Data pendukung untuk penggunaan data desain propeller.

3.1.2 Teori dan Referensi Penelitian

Teori dasar dan referensi- referensi yang dijadikan dasar mengolah dan membahas data- data penelitian antara lain :

1. Tinjauan Desain pada propeller.

2. Tinjauan mengenai propulsi kapal selam.

3. Tinjauan mengenai CFD.

4. Teori Propeller / Baling-baling

5. Tinjauan mengenai batasan / input CFX.

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilaksanakan dari tanggal April 2015 sampai dengan Agustus 2015. Penelitian dilakukan di Laboratorium CAD Teknik Perkapalan, Universitas Diponegoro

3.3 Pengumpulan Data

Dalam pengambilan data metode yang digunakan antara lain :

3.3.1 Data Primer

1st Design B-Series2nd Design Au –

Outline Gawn Series

Propeller 1 Propeller 2Propeller

3 #Diameter (Relative) 0.94 1 0.94 1.0125Pitch Ratio 1.04 1.09 1.21 1.09Skew, Degree 31.6 29.7 31.4 29.6Blade Area Ratio 0.61 0.59 0.59 0.59No. Of Blade 7 8 7 8

Berikut data ukuran utama dan gambar 3D kapal selam yang digunakan untuk pemasangan propeller :

Type of Ship : MIDGET type 150 VOGO

Length over all (LOA) : 29,70 m

Breadth (B) : 3,24 m

Depth (H) : 4,36 m

3.3.2 Data Sekunder

Untuk mempelajari permasalahan beserta solusinya telah dilakukan pembelajaran dengan menggunakan berbagai referensi baik berupa buku, artikel, majalah dan jurnal mengenai geometri, proses perancangan,simulasi CFD, dan penggunaan propeller pada kapal yang didapatkan dari internet atau meminjam buku ke perpustakaan Program Studi S1 Teknik Perkapalan UNDIP .

3.4 Analisa dan Pengolahan Data

Analisa dan pengolahan data dimulai dengan tahapan sebagai berikut:

1. Pembuatan Model

a. Pemodelan menggunakan Open Source Software

b. Validasi model baling-baling Ansys CFX

2. Simulasi CFD (CFX)

Dalam simulasi model CFD, beberapa hal yang dilakukan adalah:

a. Tahap Pre Processor

Pembentukan benda dan daerah disekeliling benda sebagai domain komputasi

Pembentukan grid generation atau membagi domain menjadi bagian yang lebih kecil ( subdomain )

Penentuan sifat-sifat fluida seperti densitas, viskositas, temperature dan lain-lain

Penentuan kondisi batas model, lokasi pembuatan kondisi batas model harus ditentukan baik pada sekeliling benda maupun aliran yang diperhitungkan

b. Tahap Solver Manager

Setelah tahap pre processor selesai, dilanjutkan dengan proses perhitungan (running simulation) pada solve manager

c. Tahap Post Processor

Setelah tahap solver manager selesai, pengambilan data baik data perhitungan maupun visualisasi dapat diambil pada tahap post processor

3. Kesimpulan Hasil Simulasi dan Eksperimen

Hasil pengolahan dan analisis kemudian dirangkum dalam kesimpulan yang disesuaikan dengan tujuan penelitian.

Diagram Alir (Flow Chart)

Gambar 3.2 Diagram Alir Penelitian

Pembuatan Model Propeller

Validasi Model Propeller dengan metode

CFD

DATA SEKUNDER

Jurnal Software CFD

DATA PRIMER Data propeller untuk

kemudian dibuat permodelan

Kesimpulan & Saran

SELESAI

Variasi Model Propeller

B-Series

Analisa Data dan Simulasi

Variasi Model Propeller

Au- Outline gawn Series

Analisa Data dan Simulasi

Studi literatur dan

pengumpulan data

MULAI

Didapatkan Model Propeller

Analisa Perbandingan Propeller Kapal Selam

Documents