Abstrak— Mayoritas beberapa jenis kapal yang kita miliki merupakan hasil pembelian dari pihak luar negeri. Guna mengurangi ketergantungan produk teknologi dari pihak luar negeri serta menunjang kemandirian industri teknologi dibidang perkapalan, maka penelitian perlu dilakukan guna menunjang dan mewujudkan hal tersebut. Penelitian pertama dimulai dari desain sistem propulsi kapal berupa permilihan spesifikasi prime mover, sistem transmisi dan propeller berdasarkan data spesifikasi kapal yang ditentukan serta analisa karakteristik kapal. Kedua adalah desain dan pemodelan stand alone sistem kontrol propulsi kapal berupa kontrol kecepatan propeller, kontrol pitch propeller, dan platform kapal dengan masukan pitch propeller dan kecepatan propeller dengan keluaran kecepatan kapal yang menghasilkan persamaan matematis, pemodelan dengan kontroler PID, simulasi pada Matlab dan analisa kestabilan dengan root locus. Dari penelitian yang dilakukan didapatkan desain sistem propulsi berupa mesin diesel sebagai prime mover dengan spesifikasi daya 2x23850 kW dan controllable pitch propeller sebagai propeller dengan type screw series B5-60 dengan diameter 3,752 m serta kondisi operasional pitch propeller 0,975 dan kecepatan propeller 4,8. Sedangkan desain sistem kontrol propulsi didapatkan pemodelan sistem dan simulasi dengan nilai settling time yang memenuhi kriteria desain kecepatan propeller dan pitch propeller kurang dari 23 s yaitu sebesar 19 s untuk kontrol kecepatan propeller dengan nilai kestabilan K<0,96 dan 2,09 s untuk kontrol pitch propeller dengan nilai kestabilan K<169 serta kecepatan kapal 30 knots dengan settling time 30,61 s.
Kata Kunci— kapal, propulsi, prime mover, propeller, kontrol
I. PENDAHULUAN
EIRING dengan berjalannya waktu, kebutuhan akan transportasi laut yaitu kapal baik sebagai ALUTSISTA (Alat Utama Sistem Persenjataan) pada armada TNI AL maupun sebagai alat transportasi umum menjadi hal yang sangat penting mengingat sebagian besar negeri kita ini terdiri dari wilayah laut atau perairan. Untuk mengurangi ketergantungan produk dan teknologi dari pihak luar negeri serta menunjang kemandirian industri teknologi di bidang perkapalan maka penelitian perlu dilakukan. Pengembangan desain yang menghasilkan suatu model, dengan batasan pada sistem propulsi kapal merupakan suatu langkah awal penelitian yang dapat dilakukan dengan cakupan desain dan pemodelan sistem propulsi dan stand alone sistem kontrol propulsi kapal. Dari penelitian tersebut diharapkan didapatkan desain sistem propulsi berupa spesifikasi prime mover, sistem transmisi, dan propeller yang sesuai dengan spesifikasi teknis kapal. Sistem kontrol propulsi kapal berupa stand alone sistem kontrol kecepatan propeller,
kontrol pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal.
Batsan masalah dalam penelitian ini adalah:
1) Ditentukan desain dilakukan pada spesifikasi kapal berikut: • Loa : 106 m • Lwl : 101,07 m • Breadth : 18 m • Depth : 3,7 m • RT : 1701,245 kN
2) Desain sistem propulsi berupa pemilihan spesifikasi prime mover, sistem transmisi, dan propeller
3) Komponen prime mover berupa diesel engine, sistem transmisi beripa reduction gearbox, dan propeller berupa controllable pitch propeller
4) Sistem kontrol dengan input kecepatan propeller dan pitch propeller serta kerluaran kecepatan propeller, pitch propeller, dan kecepatan kapal
5) Gangguan berupa kondisi perairan diabaikan
6) Simulasi dilakukan pada kondisi operasional kapal pada kondisi ahead
7) Analisa simulasi dilakukan untuk sistem kontrol kecepatan propeller dan pitch propeller
Sistem propulsi, Secara umum terdiri dari 3 komponen yaitu prime mover, sistem transmisi, dan propeller. Dalam operasinya di laut, suatu kapal haruslah memiliki kemampuan untuk mempertahankan kecepatan service yang direncanakan. Hal ini mempunyai arti bahwa, kapal mempunyai rancangan sistem penggerak yang dapat mengatasi keseluruhan gaya hambat agar memenuhi standar kecepatan servicenya. Dimana ketiga komponen tersebut merupakan satu kesatuan yang didalam proses perencanaannya tidak dapat ditinjau secara terpisah.
II. METODOLOGIPENELITIAN
Agar penelitian dapat dilakukan dengan terarah, dibawah ini dijelaskan langkah penelitian yang dilakukan.
A. Studi Literatur
Studi literatur mengenai sistem propulsi kapal dan pemodelan sistem kontrol propulsi melalui buku referensi maupun wawancara dengan pembimbing dan pihak yang terkait.
B. Data kapal dan kriteria desain
Tahap ini menjelaskan kriteria desain sistem propulsi dan sistem kontrol propulsi kapal diantaranya:
• Misi kapal adalah maritime search dan patroli
Desain dan Pemodelan Sistem Propulsi
dan Stand Alone Sistem Kontrol Propulsi Kapal
M. Dakka Krisma Dwikade, Arif Wahjudi dan Hendro Nurhadi
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
,
[email protected]
• Kecepatan desain kapal adalah 30 knots
• Kontrol yang akan diimplementasikan adalah stand alone system
• Input yang digunakan adalah pitch propeller dan kecepatan propeller dengan keluaran kecepatan kapal • Kriteria sistem kontrol dengan settling time pitch
propeller dan kecepatan propeller kurang dari 23 s. C. Konsep desain
Untuk mencapai fungsi keseluruhan sistem propulsi maka diperlukan prime mover sebagai penggerak utama kapal yang mampu memenuhi kebutuhan tenaga pada kapal, sistem transmisi yang mampu mentransmisikan daya secara effisien dari prime mover ke propeller, dan propeller yang mampu memberikan daya dorong optimal.
Sedangkan untuk mencapai fungsi keseluruhan stand alone sistem kontrol propulsi, maka diperlukan suatu desain kontrol yang meliputi pemodelan kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal, penentuan kontroler yang mampu memenuhi kriteria desain yang diinginkan
D. Desain sistem propulsi
Tahap ini menjelaskan tentang perhitungan karakteristik propulsi kapal, pemilihan spesifikasi mesin diesel, sistem transmisi, dan controllable pitch propeller yang sesuai dengan kriteria desain.
E. Desain dan pemodelan sistem kontrol propulsi
Tahap ini menjelaskan tentang pemodelan matematis sistem kontrol pitch propeller, kecepatan propeller, dan platform, simulasi dan analisa hasil.
III. DESAINSISTEMPROPULSI A. Perhitungan Karakteristik Propulsi Kapal
Sebelum melakukan pemilihan prime mover, terlebih dahulu dilakukan perhitungan karakteristik kapal berupa: 1) Perhitungan koefisien block
0,45
=
T)
B
V/(L
=
C
b wl×
×
2) Perhitungan wake fraction
0,175
=
0,05
-)
C
(0,5
=
w
×
b3) Perhitungan thrust deduction factor
0,67
=
T)
/(B
A
=
C
p m×
4) Perhitungan speed of advance
m/s
2,81
V
w)
-(1
=
V
a×
s=
5) Perhitungan efisiensi propulsif
1,036
=
w)
t)/(1
-(1
=
Hη
0,704
=
=
P
cη
rr×
η
p×
η
HB. Pemilihan Prime Mover
Langkah – langkah yang dilakukan dalam pemilihan prime mover diantaraya:
1) Perhitungan Delivery Horse Power (DHP)
kW
37784,31
=
EHP/Pc
=
DHP
2) Perhitungan Shaft Horse Power (SHP)
kW
38555,43
DHP/
=
SHP
η
sη
b=
3) Perhitungan Service Continuous Rating (SCR)
kW
39342,26
=
SHP/
=
BHP
SCRη
G4) Perhitungan Maximum Continuous Rating (MCR)
kW
46285,02
=
/0,85
BHP
=
BHP
MCR SCRPada perencanaan ini kapal didesain menggunakan twin screw propeller, sehingga daya tiap mesin yang diperlukan 23142,5 kW. Sehingga digunakan mesin diesel dengan spesifikasi berikut:
Type : S.M.E.T Pielstick 18 PC4-2B Daya : 23850 kW
N. : 600 rpm C. Pemilihan Propeller
Metode pemilihan propeller yang digunakan adalah pemilihan propeller jenis Wageningen B-Srew Series. Langkah – langkah yang dilakukan dalam pemilihan propeller diantaraya:
1) Menentukan Power Absorbtion (Bp) 2) Pembacaan diagram Bp-1
3) Menentukan nilai P/D dan δ0 dari pembacaan diagram Bp-1
4) Menentukan nilai diameter optimum (DO) 5) Menentukan nilai (P/D)O
6) Menentukan nilai diameter behind the ship (DB) 7) Menentukan nilai δB
8) Menghitung nilai (P/D)B
9) Menentukan efisiensi masing – masing propeller Berdasarkan hasil dari perhitungan dan pembacaan diagram Bp-δ pada tipe propeller Wageningen B-Screw Series diatas maka didapatkan type propeller yang sesuai yaitu B5-60 dengan spesifikasi sebagai berikut:
Type propeller : B screw series Jumlah blade : 5
Ae/Ao : 0,6 Diameter : 3,752 m N. Propeller : 288,184 rpm Efisiensi : 65,7 %
D. Analisa Engine Propeller Matching
Dalam analisa engine propeller matching, langkah awal yang dapat dilakukan adalah penggambaran kurva KT-J pada kondisi trial dan service.
Gambar 1. Diagram KT-J hull
Selanjutnya untuk mendapatkan titik operasi, maka kurva KT-J diplotkan kedalam kurva open water test untuk type propeller yang dipilih yaitu B5-60.
Gambar 2. Diagram open water test B5-60
Gambar tersebut merupakan gambar kurva open water test B5-60 yang diplotkan dengan kurva KT-J kondisi trial dan service. Pada tahap ini P/D divariasikan dari P/D sampai pada kondisi optimum propeller, sehingga didapatkan pembacaan kurva berupa nilai KT, KQ, dan η
Tabel1.
Nilai KT, KQ pada kondisi trial dan service
P/D Trial Service KT KQ η KT KQ η 0,5 0,062 0,042 0,418 0,075 0,028 0,390 0,6 0,084 0,032 0,450 0,095 0,032 0,428 0,7 0,118 0,038 0,468 0,120 0,038 0,440 0,8 0,142 0,044 0,480 0,150 0,046 0,472 0,9 0,180 0,050 0,510 0,185 0,052 0,482 1,0 0,220 0,055 0,515 0,235 0,058 0,498 1,1 0,260 0,062 0,500 0,275 0,064 0,500 1,2 0,310 0,068 0,520 0,315 0,070 0,525 1,3 0,360 0,072 0,500 0,375 0,074 0,520 1,4 0,410 0,078 0,520 0,420 0,080 0,500
Didalam mengembangkan karakteristik beban propeller, variabel yang terlibat adalah propeller torque dan propeller speed berdasarkan persamaan dibawah ini
(1)
Sehingga didapatkan kurva beban propeller berdasarkan variasi P/D pada kondisi trial dan service.
Gambar 3. Kurva beban propeller pada kondisi trial
Gambar 4. Kurva beban propeller pada kondisi service
IV. DESAINDANPEMODELANSISTEMKONTROL PROPULSI
A. Konsep Desain Sistem Kontrol
Konsep desain sistem kontrol yang akan diimplementasikan pada sistem propulsi digambarkan dalam diagram blok berikut:
Gambar 5. Diagran blok konsep desain kontrol sistem propulsi kapal
B. Pemodelan matematika sistem 1) Pemodelan kontrol pitch propeller
Gambar 6. Diagram blok kontrol pitch propeller
Komponen – komponen yang berpengaruh dalam pengontrolan pitch propeller dapat dimodelkan seperti berikut:
Pemodelan servo valve
(2) Pemodelan dinamika spool
(3) Pemodelan servo motor hidrolika
(4) Pemodelan crank
2) Pemodelan kontrol kecepatan propeller
Gambar 7. Diagram blok kontrol kecepatan propeller
Komponen – komponen yang berpengaruh dalam pengontrolan kecepatan propeller dapat dimodelkan seperti berikut:
Pemodelan servo valve
(6) Pemodelan dinamika spool
(7) Pemodelan servo motor hidrolika
(8) Pemodelan diesel engine
(9) 3) Pemodelan torsi propeller
Gambar 8. Diagram blok torsi propeller
Komponen – komponen yang berpengaruh dalam pengontrolan torsi propeller dapat dimodelkan seperti berikut:
Pemodelan kurva KQ-J-P/D
(10) Pemodelan koefisien advance
(11) Pemodelan torsi propeller
(12)
4) Pemodelan gaya dorong propeller
Gambar 9. Diagram blok gaya dorong propeller
Komponen – komponen yang berpengaruh dalam pengontrolan gaya dorong propeller dapat dimodelkan seperti berikut:
Pemodelan kurva KT-J-P/D
(13)
Pemodelan koefisien advance
(14) Pemodelan gaya dorong propeller
(15) Pemodelan koefisien thrust
(16) 5) Pemodelan dinamika kapal
Gambar 10. Diagram blok dinamika kapal
Komponen – komponen yang berpengaruh dalam pengontrolan dinamika kapal dapat dimodelkan seperti berikut:
Pemodelan kecepatan advance
(17) Pemodelan kecepatan kapal
(18) C. Pemodelan Simulink-Matlab
Gambar 11. Sistem kontrol propulsi kapal
1) Sub sistem kontrol pitch propeller
Pemodelan sistem kontrol pitch propeller pada Simulink-Matlab dibuat berdasarkan Persamaan (2), (3), (4), dan (5).
Gambar 11. Sub sistem kontrol pitch propeller
2) Sub sistem kontrol kecepatan propeller
Pemodelan sistem kontrol kecepatan propeller pada Simulink-Matlab dibuat berdasarkan Persamaan (6), (7), (8), dan (9).
Gambar 12. Sub sistem kontrol kecepatan kapal
3) Sub sistem torsi propeller
Pemodelan sistem torsi propeller pada Simulink-Matlab dibuat berdasarkan Persamaan (10), (11), dan (12).
Gambar 13. Sub sistem torsi propeller
4) Sub sistem gaya dorong propeller
Pemodelan sistem gaya dorong propeller pada Simulink-Matlab dibuat berdasarkan Persamaan (13), (14), (15), dan (16).
Gambar 14. Sub sistem gaya dorong propeller
5) Sub sistem dinamika kapal
Pemodelan sistem dinamika pada Simulink-Matlab dibuat berdasarkan Persamaan (17) dan (18).
Gambar 15. Sub sistem dinamika kapal
V. KESIMPULAN
Diperoleh desain sistem propulsi berupa spesifikasi prime mover, transmisi, dan propeller dan desain dan pemodelan stand alone sistem kontrol propulsi berupa pemodelan sistem kontrol pitch propeller, kecepatan propelelr, dan platform kapal yang sesuai dengan kriteria desain yang telah ditentukan.
DAFTARPUSTAKA
[1] S. W. Adji, “Engine Propeller Matching”, Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember (2005)
[2] S. W. Adji, “Pengenalan Sistem Propulsi Kapal”, Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember (2005)
[3] D. A. Blank, “Introduction To Naval Engineering”, US: Naval Institut (2005)
[4] J. S. Carlton, “Marine Propeller and Propulsion”, Burlington: Heineman (1944)
[5] F. P. M. Dullens, “Modelling and Control of Controllable Pitch Propeller”, Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2009) [6] A. D. Firmansyah, “Perancangan Controllable Pitch Propeller pada
Kapal Offshore Patrol Vessel”, Surabaya: Institut Teknologi sepuluh Nopember (2012)
[7] SV. AA. Harvald, “Resistance and Propulsion of Ship”, Denmark: John Wiley and Sons (1983)
[8] C. Hui, “Modelling and Simulation of Working Process of Marine Diesel Engine With a Comprehenshive Method”, China: Dalian Maritime University (2013)
[9] H. E. Merrit, “Hydraulic Control System”, New York: John Wilew And Sons (1966)
[10] N. S. Nise, “Control System Engineering sixth edition”, New York: john Wiley And Sons (2011)
[11] K. Ogata, “Teknik Kontrol Automatik jilid 1”, Jakarta: Erlangga (1996)
[12] K. Ogata, “Teknik Kontrol Automatik jilid 2”, Jakarta: Erlangga (1996)
[13] D. A. Taylor, “Introdustion to Marine Engineering 2nd edition”, Burlington: Butterwoth Heinemann (1996)
[14] V. S. Tenali, “DSP Simulation of Electro-Hydraulic Servo Actuator”, Texas: Texas Instrument (2005)
[15] N. I. Xiros, “PID Marine Engine Speed Regulation Under Full Load Conditions Fpr Sensitivity against Propeller Disturbance”, Greece: National Technical University of Athens (2004)
