STUDI PERANCANGAN SISTEM PROPULSI WATERJET
PADA KAPAL PENUMPANG 200 PAX
TIPE WAVE PIERCHING CATAMARAN
Oleh:Ir. Agoes Santoso, M.Sc2), Ir. Soemartojo WA2), Nida Ahmad Musyafa1)
1)
Mahasiswa : Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, FTK – ITS 2)
Staf Pengajar : Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, FTK – ITS
ABSTRAK
Wave Piercing Catamaran merupakan tipe kapal katamaran yang mempunyai tambahan struktur berbentuk V pada bagian tengah haluannya. Kapal katamaran memiliki lambung yang luas sehingga dapat dimanfaatkan sebagai ruang untuk sistem propulsi waterjet dalam setiap lambung. Dalam penelitian ini hal pertama yang dilakukan adalah mencari data kapal penumpang 200 PAX tipe WPC. Kedua, memodifikasi bagian buritan kapal agar dapat digunakan system propulsi waterjet. Ketiga, mengitung tahanan dengan maxsurf supaya dapat dihasilkan power. Keempat, memilih main engine dan waterjet yang ada di pasaran. Dan yang terakhir adalah menganalisa engine waterjet matching.
Dari hasil perhitungan dan analisa data yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa Kapal penumpang 200 PAX tipe wave pierching catamaran dirancang menggunakan main engine dengan merk MAN V-12-1550 dan waterjet dengan merk Hamilton HM721. Main Engine sebagai prime mover dan waterjet sebagai propulsor mencapai titik optimum pada putaran engine 2254 rpm dan daya yang dibutuhkan sebesar 1137.32 KW dengan pencapaian kecepatan kapal 24.70 knot dan konsumsi bahan bakar yang dibutuhkan 305 l/h
Kata kunci: wave pierching catamaran, waterjet, titik optimum
1. Pendahuluan
Wave Piercing Catamaran merupakan tipe kapal katamaran yang mempunyai tambahan struktur yang merupakan tipe V pada bagian haluannya. Bagi sebuah kapal gaya dorong adalah suatu hal yang sangat penting. Pada perancangan sebuah kapal laut diharapkan gaya dorong yang dihasilkan oleh sistem propulsi yang terpasang mampu mengatasi beban tahanan yang akan dialami oleh kapal guna mendapatkan kecepatan service yang direncanakan. Namun demikian, besarnya daya yang dibutuhkan tersebut mempunyai korelasi yang erat terhadap jumlah bahan bakar yang dikonsumsikan. Sehingga besaran daya tersebut akan menjadi tidak effisien apabila titik operasi dari prime mover tidak sesuai dengan beban tahanan kapal. Untuk itu didalam pemilihan suatu sistem propulsi tidak hanya ditinjau dari aspek teknis saja, akan tetapi juga perlu aspek ekonomisnya, baik dari investasi maupun operasional cost (dalam hal ini kebutuhan bahan bakar/ Fuel Oil Consumption (FOC) dan Maintenance). Skripsi ini akan meneliti tentang masalah-masalah titik operasi dari prime mover
dan sistem propulsi water jet tersebut, sehingga dapat diperoleh FOC yang optimum.
1.1 Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang di atas, maka yang menjadi permasalahan dalam skripsi ini adalah:
1. Bagaimana perencanaan sistim propulsi untuk kapal cepat dalam hal ini adalah kapal penumpang tipe Wave Piercing Catamaran?
2. Bagaimana menetapkan titik operasi dari Main Engine sebagai prime mover dan water jet sebagai propulsor agar dalam pengoperasiannya mencapai titik optimum dan pemakaian bahan bakar (FOC) serta pencapaian kecepatan service kapal (Vs) sesuai yang direncanakan?
1.2 Tujuan Penulisan
Berdasarkan perumusan masalah yang diambil tujuan dalam menyelesaikan skripsi ini adalah:
1. Untuk mengetahui perancangan sistim propulsi untuk kapal cepat dalam hal ini adalah kapal penumpang tipe Wave Piercing Catamaran
2. Untuk mengetahui titik operasi dari Main Engine sebagai prime mover dan water jet sebagai propulsor agar dalam pengoperasiannya mencapai titik optimum dan pemakaian bahan bakar (FOC) serta pencapaian kecepatan service kapal (Vs) sesuai yang direncanakan
1.3 Manfaat Penulisan
Manfaat dari penulisan ini adalah diharapkan system propulsi waterjet dapat digunakan sebagai alternatif system pendorong untuk kapal penumpang wave pierching catamaran 200 PAX dan kapal-kapal lainnya. 2. Tinjauan Pustaka
2.1 Karakteristik Sistem Propulsi Waterjet
Gaya Dorong
Gaya Gaya Dorong (Thrust) kapal merupakan komponen yang sangat penting, yang mana digunakan untuk mengatasi Tahanan (Resistance) atau Gaya Hambat kapal. Pada kondisi yang sangat-sangat ideal, besarnya gaya dorong yang dibutuhkan mungkin sama besar dengan gaya hambat yang terjadi dikapal. Namun kondisi tersebut sangat sangattidak realistis, karena pada faktanya di badan kapal tersebut terjadi phenomena hidrodinamis yang menimbulkan degradasi terhadap nilai besaran gaya dorong kapal. Sehingga untuk gaya dorong kapal dapat ditulis seperti model persamaan, sebagai berikut ;
Dimana t adalah thrus deduction factor
Daya Dorong Efektif (EHP)
Daya dorong efektif (EHP) adalah besarnya daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan kapal atau model dengan kecepatan tertentu. Daya dorong yang dihasilkan suatu sistem propulsi harus mampu mengatasi beban tahanan aliran agar kecepatan yang direncanakan dapat tercapai. Persamaan Daya Dorong Efektif adalah :
Pada kondisi yang ideal maka harga (R) akan sama dengan (T)
Head Loss Pada Sistem Saluran
Secara umum Head Loss Total (hLT) dapat dibagi dalam dua kelompok yaitu mayor losses dan minor losses. Mayor losses ( hL) merupakan penjumlahan dari efek gesekan pada aliran fully developed sepanjang saluran yang dilewati oleh aliran. Sedangkan minor losses ( hLM ) adalah losses / kerugian yang disebabkan adanya kelengkapan system saluran seperti kerugian pada saluran masuk, adanya belokan, perubahan besar penampang dan lain sebagainya. Persamaan dari head loss mayor adalah sebagai berikut:
Dimana (f) adalah friction factor yang di dapat dari diagram moody. Sedangkan persamaan untuk head loss minor adalah:
Dimana (K2) adalah koefisien kerugian yang di dapat dari table dan grafik saluran yang dilewati oleh aliran fluida.
Daya Pompa
Aksi dari impeller pompa akan menyebabkan fluida dapat mengalir pada tekanan dan laju aliran tertentu. Tetapi hal ini juga akan mengakibatkan adanya kerugian energi sehingga harus dipertimbangkan dalam perancangan instalasinya. Berdasarkan persamaan energi pada volume kendali, pada pompa dan nossel berlaku persamaan:
Sehingga persamaan daya pompa adalah:
2.2 Efisiensi Pada Sistem Propulsi Waterjet
Efisiensi Waterjet
Energi aliran yang diberikan pompa adalah sebagai input energy sistem propulsi water jet yang kemudian akan terjadi kenaikan momentum aliran pada nossel karena adanya peningkatan kecepatan aliran sehingga akan menghasilkan daya dorong. Perbandingan antara output energy terhadap input energi pada sistem propulsi water jet disebut effisiensi jet (ηj):
Efisiensi Pompa
Kerugian daya pompa timbul karena bentuk konstruksi dari pompa itu sendiri serta karena adanya kehilangan energi pada bagian–bagian pompa yang bersentuhan. Secara umum efisiensi dapat juga dikatakan sebagai perbandingan antara nilai keluaran dan masukan. Sehingga dengan adanya kerugian daya terssbut, maka daya yang dibutuhkan pompa pada poros inputnya menjadi:
Efisiensi Sistem Transmisi
Sistem transmisi dari penggerak utama hingga ke pompa terdiri atas poros putaran tinggi yang keluar langsung dari penggerak utama, gearbox dan poros yang dihubungkan ke pompa water jet.
Karena daya penggerak utama ditransmisikan melalui perlengkapan-perlengkapan seperti diatas maka akan timbul kerugian–kerugian daya yang dikeluarkan oleh penggerak utama hingga sampai ke pompanya.
Dalam perancangan akan diambil faktor koreksi pada system transmisi langsung, agar daya yang dibutuhkan pompa propulsor dapat terpenuhi yaitu diambil T = 0.96 – 0.99 , karena kerugian akibat system transmisi pada umumnya sebesar 1 % - 4% tergantung sistem transmisi yang digunakan. Efisiensi transmisi ( T ) merupakan perkalian antara efisiensi pada roda gigi ( g ) dan efisiensi kopling ( K ).
Seperti pada kapal – kapal pada umumnya, efisiensi badan kapal dapat ditentukan dari wake efektif dan thrust deduction factornya.
Dimana:
H = Efisiensi badan kapal t = thrust deduction factor w = Wake efektif
Thrust deduction factor (t) dapat ditentukan dari hasil kali Thrust (T) dan tahanannya (R).
(
)
Sedangkan wake efektif dapat ditentukan dari pengukuran kecepatan aliran air sebelum masuk inlet.
(
)
Dimana:Vi = Kecepatan rata-rata aliran masuk pada inlet
Vs = Kecepatan kapal
Efisiensi Propulsif Keseluruhan
Pergerakan kapal akan menimbulkan resistance atau tahanan, dimana tahanan total yang diterima kapal ini harus dapat diatasi oleh system propulsinya. Kemampuan sistem propulsi menyeluruh diperhitungkan sebagai efisiensi propulsi overall (OPC) yang ditinjau dari energi yang diberikan penggerak pompa, kerugian transmisi sampai pada keluaran daya efektif yang berguna untuk menggerakkan kapal. Sehingga efisiensi propulsif overall untuk sistem water jet dapat ditulis :
Dimana:
j = Efisiensi system jet yang dihitung dari Kecepatan aliran jet, kerugian pada nossel, kerugian pada saluran inlet dll.
P = Efisiensi pompa
r = Relative rorative efisiensi, secara umum harganya mendekati 1
H = Efisiensi badan kapal 2.3 Daya Motor yang Diinstal
Daya motor penggerak kapal yang dimaksud adalah Daya Rem (Brake Horse Power) atau daya yang diterima oleh poros tranmisi system penggerak kapal yang selanjutnya dioperasikan secara kontinyu untuk menggerakkan kapal pada kecepatan servisnya (Vs). Besar daya motor dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
Yang mana BHP-CSR adalah daya output dari
motor penggerak pada kondisi Continues Service Rating (CSR), yaitu daya motor pada kondisi 80 - 85% dari Maximum Continues Rating (MCR)-nya. Arti phisiknya, daya yang dibutuhkan oleh kapal agar mampu beroperasi
dengan kecepatan servis VS adalah cukup diatasi
oleh 80 - 85% daya motor (engine rated power) dan pada kisaran 100% putaran motor (engine rated speed). Sehingga untuk menentukan besarnya daya motor yang harus di-instal di kapal, adalah seperti yang ditunjukkan oleh persamaan sebagai berikut ;
Daya pada BHP-MCR inilah yang selanjutnya
dapat digunakan sebagai ‘ancer-ancer’ (acuan) dalam melaksanakan proses pemilihan motor penggerak (Engine Selection Process).
3. Metodologi
4. Analisa Data
Karakteristik Engine
Dalam proses matching point komponen yang harus diketahui adalah karakteristik unjuk kerja (performance) dari motor induk karena yang dibutuhkan dalam matching ini adalah pengeplotan kurva beban waterjet vs rpm waterjet pada kurva daya motor vs rpm motor induk. Adapun karakteristik unjuk kerja dari MAN V-12-1550 sesuai dengan grafik berikut:
Gambar 1 : Karakteristik performance MAN V-12-1550
Karakteristik Waterjet
Dalam proses matching point komponen terakhir yang harus diketahui adalah karakteristik unjuk kerja (performance) dari waterjet karena yang dibutuhkan dalam matching point adalah pengeplotan kurva beban waterjet vs putaran waterjet pada kurva daya vs putaran motor induk. Adapun karakteristik unjuk kerja dari waterjet Hamilton HM721 adalah sebagai berikut:
Gambar 2: Karakteristik performance Hamilton HM721 Engine Waterjet Matching
Matching point merupakan suatu titik operasi dari putaran motor penggerak kapal (engine speed) yang sedemikian hingga tepat (match) dengan karakter beban waterjet, yaitu titik operasi putaran motor dimana power yang
di-0 200 400 600 800 1000 1200 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Pow e r ( K W) RPM 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 400 600 800 1000 Pow e r ( K W) RPM
absorb oleh waterjet sama dengan power produced oleh engine dan menghasilkan kecepatan kapal yang mendekati (sama persis) dengan kecepatan servis kapal yang direncanakan. Karakteristik waterjet adalah seperti yang telah ditunjukkan pada Gambar 1, sedangkan Karakteristik engine telah direpresentasikan pada Gambar 2. Untuk dapat menyamakan kedua trendline tersebut ke dalam satu sarana plotting yang sama, maka terlebih dahulu harga kedua trendline dijadikan dalam persen (%) seperti yang digambarkan pada kurva berikut ini;
Gambar 3: Engine Waterjet Matching
Grafik Engine Waterjet Matching di atas terlihat bahwa grafik Main Engine dengan grafik waterjet berpotongan pada titik (98%, 99.8%). Pada engine speed 98% (2254 RPM) adalah merupakan titik operasi putaran main engine yang sesuai dengan beban waterjet, sedangkan daya yang dihasilkan main engine pada 99.8% (1137.32 KW) adalah sama dengan daya yang di absorb oleh waterjet dan kecepatan kapal yang dapat dicapai adalah 24.70 Knot. Hal ini berarti Main engine dan waterjet dalam pengoperasiannya mencapai titik optimum dengan kecepatan yang hampir sama dengan kecepatan servis yang direncanakan (25 Knot).
Analisa Speed Power Prediction
Gambar 4: Speed power prediction
Grafik speed power prediction diatas merupakan grafik hubungan antara kecepatan kapal dan daya dari engine. Telah jelas terlihat jika antara kecepatan kapal dan daya suatu engine berbanding lurus, artinya semakin cepat kapal tersebut melaju, maka semakin besar pula daya yang diperlukan.
Analisa FOC pada berbagai Kecepatan
Gambar 5: FOC pada berbagai kecepatan kapal Grafik FOC di atas menghubungkan antara kecepatan kapal (Knot) dengan FOC yang dibutuhkan (l/h). Pada grafik terlihat bahwa semakin besar kecepatan kapal maka jumlah bahan bakar yang dibutuhkan semakin banyak. Berdasarkan dari hasil analisa waterjet matching, titik optimum yang dapat dicapai main engine adalah pada kecepatan kapal 24.70 knot. Jadi jika melihat pada grafik 4.18 maka pada kecepatan 24.70 Knot jumlah bahan bakar yang dibutuhkan pada titik optimum yang dicapai main engine adalah 305 l/h.
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil perhitungan dan hasil analisa data yang telah dilakukan, maka dapat dihasilkan kesimpulan sebagai berikut:
0 20 40 60 80 100 120 140 160 40 50 60 70 80 90 100 110 Pow e r ( % ) RPM (%) Matching Point (98%, 99.8%) Waterjet Load Main Engine 0 200 400 600 800 1000 1200 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Po w e r (KW) Speed (Knot) 0 50 100 150 200 250 300 350 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 FOC (l /h ) Speed (Knot)
1. Kapal penumpang wave pierching catamaran 200 PAX dirancang menggunakan main engine dengan merk MAN V-12-1550 dan waterjet dengan merk Hamilton HM721. 2. Main Engine sebagai prime mover dan
waterjet sebagai propulsor mencapai titik optimum pada putaran engine 2254 rpm dan daya yang dibutuhkan sebesar 1137.32 KW dengan pencapaian kecepatan kapal 24.70 knot dan konsumsi bahan bakar yang dibutuhkan 305 l/h
Daftar Pustaka
Adji, S.W. Water Jet Propulsion System, Surabaya
Budi, Utomo, (2004), Study Perancangan Sistem Propulsi Waterjet Fpb – 60 Untuk Kapal Patroli Cepat TNI AL, Tugas Akhir, STTAL, Surabaya.
Dubrofsky, VA, Lyakhovitsky, AG, (2001), Multi-Hull Ships, Backbone Publishing Company, USA
Fox, Robert W. & McDonald Alan T., (1997), Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, Inc.
Hadi, P.W. (2010), Pengembangan Kapal Patroli Cepat 15 Meter dengan Menggunakan Penggerak Water Jet, Skripsi, Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, ITS, Surabaya Hartono, Rachmad, (2010), Study Perancangan
Sistem Propulsi Waterjet Pada Kapal Patroli Cepat 40 TNI AL, Tugas Akhir, STTAL, Surabaya.
Harvald Sv. Aa. (1992), Tahanan dan Propulsi Kapal, Terjemahan Indonesia oleh : Sutomo Jusuf., Airlangga University Press, Surabaya.
Insel, M and Molland, A.F. (1991), An Investigation Into the Resistance Components of High Speed Displacement Catamaran, The Royal Institution of Naval Architects, London, England.
Shah, Muhammad. (2004), Analisa “Gas Turbine-Water Jet Matching” Kapal Tipe Jet Foil, Tesis, Program Studi Teknologi Kelautan, Bidang Keahlian dan Sistem Pengendalian Kelautan, ITS, Surabaya
Sularso dan Tahara, Haruo, (2000), Pompa Dan Kompressor, PT. Pradnya Paramita, Jakarta.
