DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM PROPULSI DAN STAND ALONE SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL

(1)

DESAIN DAN PEMODELAN

SISTEM PROPULSI DAN STAND ALONE

SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL

M. Dakka Krisma Dwikade

2109 106 006

Dosen Pembimbing:

Arif Wahjudi, ST., MT., Ph.D.

Hendro Nurhadi, Dpil-Ing., Ph.D

.

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Tegnologi Industri

(2)

LATAR BELAKANG

Kenapa

sistem propulsi??

Belum dilakukan penelitian

sebelumnya

Ketergantungan produk

(3)

Penelitian Sebelumnya

• Firmansyah (2012) telah melakukan penelitian

mengenai desain sistem propulsi berupa pemilihan

propeller jenis CPP (Controllable Pitch Propeller)

berdasarkan metode B-Screw Series, pemilihan

spesifikasi prime mover dan sistem transmisi pada

kapal Offshore Patrol Vessel 80.

• Dullens (2009) telah melakukan penelitian

mengenai pemodelan matemaika komponen

propeller type CPP (Controllable Pitch Propeller)

berupa linear aktuator, servo hidrolik, makanisme

CPP

(4)

RUMUSAN MASALAH

SISTEM KONTROL PROPULSI

SISTEM PROPULSI

Bagaimana

menentukan

pemilihan

komponen

prime mover,

transmission,

dan propeller

berikut analisa

pemilihannya?

Bagaimana

memodelkan

dan mendesain

kontrol

kecepatan

propeller, pitch

propeller, dan

platform kapal

dengan

keluaran

kecepatan kapal

??

(5)

BATASAN MASALAH

• Desain sistem propulsi berupa pemilihan spesifikasi prime mover,

transmisi, dan propeller

• Prime mover berupa diesel engine, transmisi berupa redustion

gerabox, dan propeller berupa cotrollable pitch propeller

• Desain sistem kontrol propulsi berupa Stand alone system

• Input  kecepatan propeller dan pitch propeller

• Output  kecepatan propeller, pitch propeller, dan kecepatan kapal

• Kondisi perairan dan gelombang laut diabaikan

• Simulasi dilakukan pada kondisi kondisi operasional kapal ahead

• Analisa simulasi pada sistem kontrol kecepatan propeller dan

kontrol pitch propeller

(6)

TUJUAN DAN MANFAAT

SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL

SISTEM PROPULSI KAPAL

Memperoleh

jenis

komponen

prime mover,

transmission,

dan propeller

Memperoleh

desain dan

model kontrol

kecepatan

propeller, pitch

propeller, dan

platform kapal

dengan

keluaran

kecepatan kapal

(7)

SEKILAS TENTANG

SISTEM PROPULSI KAPAL [1]

PROPELLER SISTEM TRANSMISI PRIME MOVER

Controllable Pitch Propeller (CPP) Fixed Pitch Propeller (FPP)

Direct Drive Geared Drive Electrical Drive

Diesel Engine Turbin

(8)

SEKILAS TENTANG

SISTEM PROPULSI KAPAL [2]

Rt Vs EHP

DHP SHP BHPscr BHPmcr

Interaksi Propeller dan Lambung Kapal Kt – Kq - J

(9)

SEKILAS TENTANG

SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [1]

CPP Diesel Engine

Pitch Control Speed Control

(10)

SEKILAS TENTANG

SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [2]

(11)

SEKILAS TENTANG

SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [3]

Konsep pengontrolan speed

(12)

METODOLOGI PENELITIAN [1]

• Diagram Alir Penelitian

• Kriteria Desain

(13)

(14)

Kriteria Desain

• Misi kapal adalah kapal cepat patroli.

• Kecepatan desain kapal yang diinginkan adalah 30

knots.

• Kontrol yang akan diimplementasikan adalah stand

alone system sehingga masing – masing propulsi

memiliki kontrol yang berdiri sendiri. Dimana antara

satu propulsi dan propulsi yang lain bergerak sama.

• Input yang digunakan pada sistem kontrol ini adalah

pitch dan kecepatan mesin yang diinginkan dengan

keluaran kecepatan kapal.

• Kriteria sistem kontrol dengan settling time pitch

propeller dan kecepatan propeller kurang dari 23 s.

(15)

Konsep Desain

Sistem propulsi dan stand alone sistem kontrol

propulsi dengan diesel engine sebagai prime mover,

reduction gearbox sebagai transmission, dan

controllable pitch propeller (cpp) sebagai propeller.

(16)

(17)

(18)

Pemilihan Prime Mover [1]

Langkah Pemilihan:

a. Perhitungan Delivered Horse Power (DHP)

b. Perhitungan Shaft Horse Power (SHP)

c. Perhitungan Brake Horse Power service continuous rating (BHPscr)

d. Perhitungan Brake Horse Power maximum continuous rating (BHPmcr) 𝐷𝐷𝐷 = 𝐸𝐷𝐷_𝐷𝑃

𝑆𝐷𝐷 = 𝐷𝐷𝐷_{𝜂𝜂𝜂𝜂}

𝐵𝐷𝐷_𝑆𝑆𝑆 = 𝑆𝐷𝐷_ηG

(19)

Pemilihan Prime Mover [2]

Prime Mover

Type

: S.M.E.T. Pielstick 18 PC4-2B

Daya

: 23850 kW

Kecepatan mesin

: 600 rpm

BHP_MCR = 62127,54 hp = 46285,02 kW

Karena twin screw propeller maka, daya masing – masing engine Adalah 23142,5 kW

(20)

Pemilihan Propeller

Langkah Pemilihan:

a. Menentukan Power Absorbtion (B_P) b. Pembacaan diagram B_P-1

c. Menentukan nilai P/D dan δ₀ dari pembacaan diagram B_P-δ.

d. Menentukan nilai diameter optimum (D_O) dari pembacaan diagram B_P-δ. e. Menentukan nilai Pitch Propeller (P_O)

f. Menentukan nilai diameter behind ship (D_B) g. Menentukan nilai δ_B

h. Menghitung nilai (P/D)_B

(21)

Pemilihan Propeller [1]

B5-45 B5-60 B5-75 B5-90 B5-105 N. Engine (rpm) 600,000 600,000 600,000 600,000 600,000 N. Propeller (rpm) 288,184 288,184 288,184 288,184 288,184 Pd (kW) 18892,160 18892,160 18892,160 18892,160 18892,160 Vs (knot) 30,000 30,000 30,000 30,000 30,000 Va (knot) 24,750 24,750 24,750 24,750 24,750 Bp 15,287 15,287 15,287 15,287 15,287 0,7139(Bp^2) 0,680 0,680 0,680 0,680 0,680 (P/D)o 0,965 0,945 0,950 0,980 1,030 1/Jo 1,465 1,490 1,490 1,465 1,430 δo 148,354 150,886 150,886 148,354 144,810 Do (feet) 12,741 12,958 12,958 12,741 12,437 Db (feet) 12,104 12,311 12,311 12,104 11,815 (P/D)b 1,005 0,975 0,980 1,015 1,065 1/Jb 1,392 1,416 1,416 1,392 1,359 δb 140,937 143,342 143,342 140,937 137,570 η 0,650 0,657 0,655 0,645 0,631

Unit Type Propeller Pemilihan propeller B Screw Series

(22)

Pemilihan Propeller [2]

Propeller

Type propeller

: B screw series

Jumlah blade

: 5

Ae/Ao

: 0,6

Diameter

: 12,311 feet = 3,752 m

N. Propeller

: 288,184 rpm

(23)

Analisa Engine Propeller [1]

(24)

Analisa Engine Propeller [2]

Pembacaan koefisien thrust, koefisien torque, Koefisien advance Pada diagram open water

(25)

Analisa Engine Propeller [3]

(26)

Analisa Engine Propeller [4]

(27)

DESAIN DAN PEMODELAN

(28)

(29)

(30)

Pemodelan Matematis [1]

Kontrol pitch propeller

Servo valve Servomotor hidrolika Crank 𝐼(𝜂) 𝐸(𝜂) = 1 𝐿𝜂 + 𝑅 𝑋 𝜂 𝐼 𝜂 = 𝐵𝐵 𝑀𝜂2 _{+ 𝐶𝜂 + 𝑘} 𝑌(𝜂) 𝑋(𝜂) = 𝐾 𝜂 𝜃(𝜂) 𝑦(𝜂) = 1 𝑟

(31)

Pemodelan Matematis [2]

Kontrol kecepatan propeller

𝐼(𝜂) 𝐸(𝜂) =

1 𝐿𝜂 + 𝑅

Servo valve Servomotor hidrolika Diesel engine

𝑋 𝜂 𝐼 𝜂 = 𝐵𝐵 𝑀𝜂2 _{+ 𝐶𝜂 + 𝑘} 𝑌(𝜂) 𝑋(𝜂) = 𝐾 𝜂 𝑛 𝜂 = 𝐶_{1 + 𝜏}1. 𝑚̇ 𝜂₁_{. 𝜂 𝑚̇ −} 𝐶_𝐶2₁ 𝑇𝐿

(32)

Pemodelan Matematis [3]

Torsi propeller

𝐽 = _{𝑛. 𝐷}𝑉𝑉 𝑄 = 𝐾_𝑄. 𝜌. 𝑁2. 𝐷5

Koefisien Advance Grafik Kq Propeller torque

𝐾_𝑄 _{= 𝑓(𝐷 𝐷}� , 𝐽) 𝐾_𝑄 = 𝑄₁ 𝐷� + 𝑄_𝐷 _2.𝐽

(33)

Pemodelan Matematis [4]

Gaya dorong propeller

𝐾_𝑇 _{= 𝑓(𝐷 𝐷}� , 𝐽)

𝐽 = _{𝑛. 𝐷}𝑉𝑉 𝑇 = 𝐾_𝑇. 𝜌. 𝑛2. 𝐷4

Koefisien Advance _{Grafik Koefisien Trust} _{Propeller Thrust} _{Thrust Deduction Factor}

𝐾_𝑇 = 𝑇₁ 𝐷� + 𝑇_𝐷 _2.𝐽

𝐽 = 𝑇₃𝑉𝑉 + 𝑇_4.𝑛 𝑇 = 𝑇₅𝐾_𝑇 + 𝑇₆𝑛

𝑇_𝐸

(34)

Pemodelan Matematis [5]

Dinamika kapal

𝑇 − 𝑅 = 𝑚. 𝑉

Kecepatan Kapal Kecepatan Advance 𝑉𝑉

(35)

(36)

Pemodelan Matlab-Simulink [1]

(37)

Pemodelan Matlab-Simulink [2]

(38)

Pemodelan Matlab-Simulink [3]

(39)

Pemodelan Matlab-Simulink [4]

(40)

Pemodelan Matlab-Simulink [5]

(41)

(42)

Simulasi Loop Terbuka [1]

Output:

- Nilai terus meningkat

- Tidak mampu mencapai setpoint yang

diinginkan Input:

- Unit step pada kondisi

operasional pitch propeller 0,975

(43)

Simulasi Loop Terbuka [2]

Output:

operasional kecepatan propeller 4,8 m/s

(44)

Simulasi Loop Terbuka [3]

Kontrol sistem propulsi

Output:

operasional kecepatan propeller 0,975

(45)

Simulasi Loop Tertutup [1]

Output:

- Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang

Watak Respon PID

Settling time 2,09 s

Rise time 1,12 s

Overshot 0,886 %

(46)

Simulasi Loop Tertutup [2]

Watak Respon PID

Settling time 19 s

Rise time 11,8 s

Overshot 0,835 %

Steady state error 0,03

Output:

(47)

Simulasi Loop Tertutup [3]

Kontrol sistem propulsi

Watak Respon

Settling time 30,61 s

Rise time 15 s

Overshot 0 %

Steady state error 0

Output:

(48)

Analisa Kestabilan Sistem[1]

Transfer fuction plant kontrol pitch propeller

Pole – pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria

kestabilan sistem stabil jika K<169 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±86,1

(49)

Analisa Kestabilan Sistem[2]

Transfer fuction plant kontrol kecepatan propeller

Pole – pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria

kestabilan sistem stabil jika K<0,69 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±5,87