2.6 Konsep Dasar Propeller
2.6.1 Bagian-bagian Propeller
Propeller blades (bilah-bilah propeller) biasanya mengambil bentuk dari sayap pesawat terbang namun camber (garis tengah lengkung) dan chord
(garis tengah lurus) di setiap bagiannya berbeda. Perbedaan komponen ini sedemikian rupa membentuk propeller.
Tabel 2.5 Bagian-bagian Propeller Blade
No. Bagian Keterangan
1. Hub bagian yang menancap pada crankshaft (poros engkol) 2. Root bagian yang terdekat dengan hub, disebut shank (tulang
kering) dan biasanya tebal dan kuat
3. Tip bagian ujung dari bilah propeller, terjauh dari hub 4. Leading
Edge
ujung depan yang mengiris atau memotong datangnya arus udara
5. Trailing Edge
ujung belakang, berlawanan dengan leading edge
6. Blade Back lengkungan atas dari airfoil, disebut cambered side
7. Blade Face lengkungan bawah yang datar dari airfoil, disebut flat side
8. Blade Element
kombinasi lengkungan atas-bawah membentuk bilah propeller. Bilah ini berubah bentuk dan sudut dari hub sampai dengan tip
(Sumber: Java Prop. 2008 ) 2.6.2 Elemen-elemen Propeller
Tugas utama propeller adalah mengubah daya engine menjadi gaya dorong seefisien mungkin. Dengan begitu tingginya kecepatan putar dan besarnya daya yang harus diserap secara umum propeller dibuat dari bahan kayu atau komposit. Propeller yang dibuat secara cetakan tidak tahan beban
yang terus menerus sehingga mudah patah dan berbahaya. Maka dari itu biasanya propeller dibuat dari komposit material seperti epoxy resin atau fiber glass, carbon/glass/kevlar rovings. Propeller dari kayu lebih ringan dan tahan getaran namun sulit dibuat dan dirawat juga sulit diduplikasi, sehingga pilihan bahan komposit menjadi favorit bagi pabrikan.
Elemen-elemen yang mempengaruhi prestasi propeller dengan berbagai geometri, seperti tampak pada Tabel 2.7, meliputi:
Tabel 2.6 Elemen-elemen Propeller Blade
No. Elemen Keterangan
1. Blade Angle sudut antara setiap elemen bilah dengan bidang putar
propeller, berbeda besar mulai dari hub hingga tip 2. Blade Path lintasan arah gerakan elemen bilah
3. Angle of Attack sudut antara chord elemen bilah dengan arah arus udara datang
4. Pitch jarak tempuh/maju yang dicapai untuk satu putaran
propeller
5. Geometri Pitch jarak tempuh/maju yang dicapai untuk satu putaran
propeller secara teoritis tanpa adanya slip
6. Effective Pitch jarak tempuh/maju yang dicapai untuk satu putaran
propeller secara nyata karana adanya slip 7. Blade Activity
Factor
pengukuran kapasitas daya yang dapat diserap
propeller
8. Design Lift Coefficient
pengukuran kapasitas thrust yang dapat dihasilkan
9. Relative Wind arus udara yang datang berarah relatif terhadap arah gerakan bilah-bilah propeller
Wajib diketahui bahwa diameter propeller (D), blade angle (β), kecepatan axial (νaxial), dan jumlah putaran n. Dengan penampang propeller blade akan didapat Gambar 2.11.
Gambar 2.12 Typical Propeller Blades Geometry
( Sumber: Java Prop, Propellers for F3D Models, 2016 )
Gambar 2.13 Kecepatan Aksial Propeller Blades ( Sumber: Java prop. Propellers for F3D Models, 2016 )
Propeller dapat dianggap sebagai sayap berputar (rotary wing) karena bentuk bilah-bilah propeller menyerupai bentuk sayap walaupun camber dan
chordnya berubah di setiap elemen (airfoil). Konsekuensinya setiap propeller
mempunyai sudut tengadah (angle of attack) bagi setiap bilah dengan masing-masing gaya angkat dan kecepatan arus udara datang yang kesemuanya
spinner
terdistribusi di seluruh bilah propeller. Perbedaan antara sayap pesawat dengan bilah propeller adalah bahwa sayap pesawat hanya punya satu kecepatan axial
sedangkan propeller mempunyai kecepatan aksial dan radial yang beresultan vektor sebesar kecepatan arus udara datang.
Gaya-gaya beban utama yang bekerja pada propeller sewaktu terbang di udara. Empat gaya utama bekerja pada propeller airfoil atau blade element
adalah:
1. Thrust (T), yaitu gaya dorong sepanjang batang as propeller dan diukur dalam Newtons (N).
2. Torque (Q) adalah gaya torsi tegak lurus thrust searah putaran propeller dan diukur dalam Newtons (N).
3. Lift (L) disebut gaya angkat yang tegak lurus arah arus udara datang dan diukur dalam Newtons (N).
4. Drag (D) adalah gaya hambat tegak lurus Lift sepanjang arah arus udara datang dan diukur dalam Newtons (N)
Gambar 2.14 Gaya pada penampang Propeller
Gaya angkat dan gaya hambat bervariasi sesuai rpm propeller dan kecepatan pesawat yang mana berubah sesuai sudut datang arus udara. Di lain pihak arah thrust dan torsi tidak berubah hanya saja berubah secara magnitudo
(besaran). Pada Gambar 2.13, simbol R mengartikan gaya resultan dari vektor-vektor gaya yang ada. Secara mudah pusat gaya angkat dari airfoil dapat ditentukan sebagai jarak ¼ chord diukur dari leading edge. Gaya-gaya lain atau beban-beban sekunder yang beraksi pada putaran (spins) propeller adalah gaya
centrifugal/centripetal dan pitching moments (momen putar), yaitu:
Centripetal Force (Fc) yaitu gaya yang bekerja kearah pusat rotasi agar
propeller tidak berpencaran. Diberikan sebagai:
2 mr FC (N), (2.8) Keterangan m = massa (kg),
r = propeller radius (m), dan
ω = kecepatan sudut propeller (rad/s) (Atmadi dan Hartono, 2005)
Pitching Moment (M) adalah momen yang terjadi sebagai akibat dari gaya angkat pada propeller atau gaya centrifugal rotasi propeller penimbul gerak maju (pitch) dari propeller itu sendiri baik naik atau turun. Pitching moment ini adalah gaya (angkat atau centrifugal) dikalikan lengan momen dan diberikan dalam Newton meters (Nm).
Gambar 2.15 Pusat Rotasi Propeller Blades
(Sumber: Java Prop, 2016 )
Pitching moment akibat gaya angkat merupakan hasil konsentrasi gaya angkat pada ¼ chord dari leading edge. Dengan pitching moment inilah pitch propeller bertambah.
Gambar 2.16 Gaya Angkat penyebab Pitching Moment
(Sumber: Java Prop. Rotary wing, 2016 )
Pitching moment akibat gaya centrifugal propeller, terjadi pada waktu pusat massa tidak segaris dengan pusat rotasi bilah propeller, sehingga memunculkan komponen gaya yang tidak melewati pusat rotasi bilah dan maka dari itu menimbulkan momen yang dapat menaik atau menurunkan pitch.
Gambar 2.17 Gaya Centrifugal penyebab Pitching Moment
(Sumber: Java Prop. Rotary wing, 2016 )
Gaya Angkat Pusat Bilah
Pitching Moment
Gaya Centrifugal
Apabila kecepatan putar propeller dinyatakan dengan νtip maka kecepatan total atau resultante kecepatan propeller menjadi:
2 2 tip axial dimana νtip=π.n.D. (2.9) Kecepatan total searah dengan resultante gaya-gaya yang bekerja pada
propeller, Gambar 2.27.
Gambar 2.18 Thrust dan kecepatan propeller blades, pusher and puller.
(Sumber: Java Prop. 2008 )
Suatu propeller sering dinyatakan dengan satuan misalnya 10x5, 10x6, atau yang lain. Hal ini menyatakan bahwa propeller tersebut memiliki diameter 10 inchi dan pitch 5 inchi. Pitch sendiri diartikan sebagai seberapa jauh propeller bergerak ke depan dalam satu kali putaran tanpa slip.
Propeller slip (Ralph, 2000) adalah perbedaan antara geometric pitch
dari propeller dan effective pitch-nya. Geometric pitch adalah jarak yang seharusnya ditempuh oleh propeller dalam satu kali putaran, sedangkan
geometri propeller dengan kecepatan-kecepatan yang dihasilkan dapat dirumuskan sebagai berikut (Rakiman, 2002):
L Dt pitch