Abstrak— Hovercraft adalah suatu kendaraan yang berjalan di atas bantalan udara (air cushion). Hovercraft bekerja dengan dua prinsip utama yaitu mengangkat dan mendorong. Kinerja fan pada hovercraft amat mempengaruhi kinerja keseluruhan dari sistem angkat (lifter) maupun sistem dorong (thruster) hovercraft. Maka dari itu perlu dilakukan pemilihan centrifugal fan yang yang paling sesuai berdasarkan jumlah blade dan rpm yang paling baik. Simulasi di bantu program Numeca FineTM/Turbo V8, dengan model airfoil centrifugal fan sebagai lifter dan axial fan sebagai thruster, mendapatkan hasil bahwa Lift Force jumlah blade 15 pada lifter jauh lebih stabil dibanding variasi blade lain ketika dioperasikan pada putaran 1500 sampai 1900 RPM dan kembali meningkat pada RPM 2000 dan terus stabil hingga putaran maksimum 2100 RPM. Sedangkan hubungan antara RPM dengan thrust force adalah berbanding lurus, dengan nilai thrust force terbesar ada pada variasi 6 blade dengan pada pengoperasian 2100 RPM dengan nilai efisiensi terbesar terjadi ketika beroperasi pada putaran 1700 RPM. Karakteristik aliran fluida baik pada lifter maupun thruster adalah aliran turbulen dengan Reynolds Number diatas 4000.
Kata Kunci : hovercraft, centrifugal fan, airfoil
I. PENDAHULUAN
overcraft memiliki beberapa kelebihan dibandingkan alat transportasi lainnya. Pada saat bergerak hovercraft berada diatas bantalan udara, maka hambatan yang dialami oleh hovercraft menjadi sangat kecil. Hal ini membuat hovercraft dapat beroperasi pada segala macam permukaan, tidak hanya rendahnya hambatan yang dialami terhadap bentuk medan kerjanya dan permukaan air, tetapi kemampuan ampibi yang unik yang membuat hovercraft dapat beroperasi pada macam-macam permukaan yang berbeda secara kontinu termasuk mencapai daerah pedalaman tanpa mengalami kendala akibat dangkalnya permukaan air sungai atau bebatuan yang banyak terdapat pada sungai-sungai Indonesia.
Hovercraft TNI AL yang dijadikan objek penelitian ini bernama Lumba-Lumba, dan difungsikan untuk mengangkut pasukan dari kapal utama yang akan didaratkan. Pada saat bergabung dengan TNI AL, hovercraft ini di gunakan pada hampir setiap latihan operasi amfibi, seperti yang diadakan di Kaimana Papua, Sangata Kalimantan Timur dan beberapa operasi lainnya yang diadakan TNI AL. Kemudian kendaraan ini juga dapat digunakan untuk mobilisasi cepat VVIP Hovercraft bekerja dengan dua prinsip utama yaitu mengangkat dan mendorong. Mengangkat merupakan hal yang utama, karena prinsip dasar hovercraft berjalan tanpa menyentuh permukaan dengan kata lain kendaraan ini terangkat beberapa inci dari permukaan tanah
ataupun rawa. Sistem gaya angkat (lifter) dan pengendali hovercraft ini memakai sistem centrifugal fan yang terhubung dengan hydraulic motor. Kinerja fan pada hovercraft amat mempengaruhi kinerja keseluruhan dari sistem angkat maupun sistem dorong hovercraft. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik aliran fluida untuk gaya angkat dan gaya dorong pada fan untuk Hovercraft Lumba-Lumba TNI AL dengan variasi jumlah blade serta memberitahukan pengoperasian RPM yang paling optimal. Simulasi dilakukan dengan menggunakan Numeca FineTM/Turbo V8.
II. TINJAUANPUSTAKA A. Fan
Fan merupakan salah satu jenis mesin fluida yang berfungsi untuk memindahkan fluida (udara) dengan arah dan kecepatan tertentu sesuai dengan karakteristik rotor (impeller) fan yang digunakan. Kapasitas udara yang mampu dipindahkan oleh fan sangat ditentukan oleh tipe fan, kecepatan putaran dan sistem penyaluran yang digunakan bersama fan itu sendiri. Kapasitas merupakan jumlah gas yang dipindahkan oleh fan tiap satuan waktu. Jika diukur dalam unit volume, maka kapasitas yang terjadi adalah kapasitas volumetrik yang biasanya dinotasikan dengan huruf Q dan kapasitas massa gas yang dipindahkan oleh fan adalah sebagai berikut:
m= p x Q…(1) B. Efisiensi Fan
Efisiensi fan adalah perbandingan antara daya yang dipindahkan ke aliran udara dengan daya yang dikirimkan oleh motor ke fan. Daya aliran udara adalah hasil dari tekanan dan aliran, dikoreksi untuk konsistensi unit..
C. Sentrifugal Fan Untuk Lifter
Disebut fan sentrifugal karena fan jenis ini mengalirkan udara dan daerah masukan (inlet) menuju daerah keluaran (outlet) dengan arah radial karena gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh putaran impeller. Selanjutnya udara yang secara radial terlempar keluar impeller dengan kecepatan dan tekanan tinggi kemudian masuk ke dalam casing fan yang berbentuk spiral.
Untuk blade, digunakan jenis airfoil karena jenis ini memiliki nilai efisiensi lebih besar disbanding tipe yang lain.
Analisa Aliran Fluida dan Analisa Gaya Pada
Fan Lifter dan Thruster Hovercraft
R. Rendi Pramadiansyah S., dan Ir. Amiadji M.M, M.Sc., Irfan Syarif Arief ST, MT Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected] , [email protected]
Gambar 2 Penampang Airfoil
Jumlah daun yang paling sering digunakan digunakan adalah antara 8 dan 12 tetapi bisa sampai 16 daun untuk ratio diameter d1 / d2 yang besar atau sudut masuk daun yang besar β1. Jumlah daun yang terlalu sedikit akan menyebabkan impeller tidak cukup mampu untuk menghasilkan performa sesuai dengan karakteristik geometriknya, sedangkan jumlah daun yang terlalu banyak justru akan mengurangi jumlah aliran-aliran yang dihasilkan dan juga menimbulkan losses yang lebih besar
D. Thruster Sistem
Untuk hovercraft ini menggunakan air propeller. Sebuah hovercraft yang berjalan dengan kecepatan (v) pada permukaan air akan menimbulkan gaya yang berlawanan arah berupa tahanan (R) yang menghambat laju dari hovercraft.
E. Air Propeller
Berdasarkan teori momentum untuk menentukan efisiensi air propeller maka harus ditentukan terlebih dahulu besar diameter, jumlah daun dan bentuk air propeller yang akan didesain. Metode desain yang telah lama dilakukan untuk propeller aircraft berdasarkan hasil interpretasi wind tunnel tes dan data dari bentuk aerofoil. Untuk non dimensional koefisien CT (koefisien thrust), CP (koefisien
daya), CQ (koefisien torsi) dan J (advance ratio) ditentukan
berdasarkan percobaan dalam wind tunnel dengan sudut blade pada 70% bagian propeller diameter dari center. CT = T /
ρ
an2D4...(2) CQ = Q/ρ
an 2 D5...(3) CP = P /ρ
an3D5...(4) J = V / nD ...(5)Sedangkan hubungan untuk koefisien daya dan koefisien torsi dapat dirumuskan sebagai berikut :
CP = 2ЛCQ
III. METODOLOGI Tahapan Pengerjaan
IV. ANALISADATADANPEMBAHASAN 4.1 Data Umum Hovercraft
Dimensi
Panjang struktur : 13 m Lebar struktur : 5,9 m Tinggi tidak hover : 3,2 m Tinggi hover : 3,3 - 3,85 m Panjang kabin : 5,6 m Lebar kabin : 2,8 m Performa Berat kosong : 3500 - 4000 kg Berat maksimum : 7000 - 8000 kg Daya angkut : 2000 kg + 700 liter
(BBM) Kecepatan maksimum : 33 knot Kecepatan jelajah : 28 knot
Kapasitas : 20 personil + kru Tinggi rintangan keras : 30 cm
Maksimum tinggi gelombang : 100 cm Mesin
Lift dan Thrust : 466 HP Diesel DEUTZ Power Generator
Number of Cylinders : 8
Bore/Stroke ( mm ) : 132/145
Displacement ( I ) : 15,87
Compression Ratio : 17
Acc. To Power Category A1) :466/2100 (HP/RPM)
Weight incl.keel cooling : 1250 kg Fuel Consumption (at 75%) : 0.362 lb/hp - hr
Propeler :4blades composites (78") Fan : Centrifugal Dimensi Engine Engine Type BF8M1015CP mm A B C D E 1673 1305 1021 361 660
Gambar 4.1 Engine Deutz Type BF8M1015CP
Skirt
Type : Open loop dan
Multisegment
Material : Rubberizing Nylon
Kendali Rudder : 3 bilah 4.2 Perhitungan Kebutuhan Lifter dan Thruster
a. Penentuan Cushion Pressure ( Pc ) Pc = W/Sc
W = berat total hovercraft (N) = AUW x gravitasi = 8000 kg x 9.8 = 78400 N
Sc = Luas Cushion Pressure (m3) = p x l = 13 x 5.9 =76.7 m2 Pc = 78400 N / 76.7 m 2 =1022.1643 N/m3 = 1022.1643 Pa
b. Penentuan Volume Udara Angkat (Q)
Q = 0.015 Sc = 76.7 m 2
r
a
= 1.2257 kg / m3 Pc = 1022.1643 Pa Q = 46.98 m3/sc. Penentuan Diameter Impeller fan (D2)
u2 = 81 m/s
p
= 3.14 n = 1500 RPMD2=1.03 ~ 1 m
d. Penentuan Luas Impeller Disc (F)
p
= 3.14 D2 = 1 m= 0.81 m
e. Penentuan Koefisien Volume Udara Fan (Q’)
Q = 46.98 m3/s F = 0.81 m u2 = 81 m/s
Q’= 0.72
f. Penentuan Koefisien Tekanan Total Fan (H’)
Q’ = 0.72 Ns = 2.5
H’= 0.23
g. Penentuan Tekanan Total Fan (H) H=H’. ρa . u22 ρa = 1.2257 kg/m 3 u2 = 81 m/s H=0.23 x 1.2257 x 812 = 1883.5 N/m2
4.2.1 Perencanaan Lifter (Centrifugal Fan) a. Diameter Impeller Q = 46.98 m3/s Q’ = 0.72 u2 = 81 m/s
p
= 3.14)
/
2
(
'
Sc
pc
a
Q
Q
=
r
)
2257
.
1
/
1643
.
1022
2
(
7
.
76
015
.
0
x
x
Q =
xn
x
u
D
p
60
2 2=
4
2 2xD
F
=
p
4
1
14
.
3
x
2F =
2'
Fxu
Q
Q =
81
81
.
0
98
.
46
'
x
Q =
34 , 1 5 . 0'
'
÷÷
ø
ö
çç
è
æ
=
sN
Q
H
34 , 1 5 . 05
.
2
72
.
0
'
÷÷
ø
ö
çç
è
æ
=
H
p
x
xu
Q
xQ
D
2 2'
4
=
14
.
3
81
72
.
0
98
.
46
4
2x
x
x
D =
D2=1.0157988 ~ 1
b. Diameter Impeller Daerah Input D1= (0.6 – 0.7) D2
= 0.7 x 1 = 0.7 m
c. Lebar Daun Impeller b = 0.46 x D1
= 0.46 x 0.7 = 0.322 m
4.2.2 Perencanaan Thruster
Berdasarkan data yang diperoleh, hovercraft ini menggunakan Fan thruster dengan:
Diameter fan propeller = 78” = 1.9812 ~ 2 m
Jumlah Blade = 4
4.4.2 Data yang Diperoleh dari Hasil Simulasi Variasi Pada tahap ini, diperoleh data dari hasil perhitungan yang dilakukan berdasarkan hasil simulasi dan dapat ditabulasikan pada tabel – tabel berikut:
a. Untuk lifter (Airfoil Centrifugal Fan)
Tabel 4.1 Perolehan Lift Force Hasil variasi jumlah blade dan RPM pada lifter. BLA DE vs RPM LIFT FORCE (N) 1500 1600 1700 1800 1900 200 0 2100 8 62880 0 62920 0 62930 0 62880 0 62880 0 628 800 6288 00 9 63070 0 63170 0 63170 0 63170 0 63170 0 631 700 6293 00 10 63070 0 63020 0 63020 0 63020 0 63020 0 630 200 6302 00 11 63260 0 63130 0 63130 0 63130 0 63130 0 631 300 6305 00 12 63130 0 63070 0 63290 0 63290 0 63290 0 631 600 6329 00 13 63120 0 63350 0 63350 0 63350 0 63350 0 630 700 6307 00 14 63240 0 63240 0 63240 0 63240 0 63240 0 632 400 6324 00 15 63300 0 63300 0 63300 0 63300 0 63300 0 633 200 6332 00 16 63060 0 63070 0 63070 0 63060 0 63060 0 631 900 6325 00
Tabel 4.2 Perolehan Efisiensi dari Hasil variasi jumlah blade dan RPM pada lifter.
BLA DE/R PM EFISIENSI 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 8 0.701 0.705 0.70 6 0.69 89 0.69 89 0.69 89 0.69 89 9 0.715 0.715 0.71 5 0.71 5 0.71 5 0.71 5 0.71 4 10 0.715 0.727 0.72 7 0.72 7 0.72 7 0.72 7 0.72 7 11 0.758 0.738 0.73 8 0.73 8 0.73 8 0.73 8 0.73 5 12 0.746 0.797 0.74 5 0.74 4 0.74 4 0.74 8 0.74 5 13 0.733 0.753 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 1 0.75 1 14 0.774 0.774 0.77 4 0.77 4 0.77 4 0.77 4 0.77 4 15 0.787 0.787 0.78 7 0.78 7 0.78 7 0.77 6 0.77 6 16 0.796 0.797 0.79 7 0.79 6 0.79 6 0.79 4 0.78 8 b. Untuk Thruster (Axial Fan)
Tabel 4.3 Perolehan Thrust Force Hasil variasi jumlah blade dan RPM pada thruster
BLADE /RPM THRUST (N) 1500 1700 1900 2100 3 995.81128 92 1390.0999 99 1955.5141 16 2780.616 1 4 1442.0886 32 1990.3163 33 2745.9628 12 3836.464 7 5 1933.3159 68 2641.8988 44 3581.7196 84 4922.679 1 6 2476.8253 75 3355.0827 27 4477.1830 22 6059.733
Tabel 4.4 Perolehan Efisiensi dari Hasil variasi jumlah blade dan RPM pada thruster
BLAD E/RP M EFISIENSI 1500 1700 1900 2100 3 0.3 0.25 0.23 0.22 4 0.32 0.27 0.24 0.23 5 0.09 0.36 0.14 0.3 6 0.07 0.46 0.11 0.37 4.5 Pembahasan 4.5.1 Analisa Gaya
Data-data yang ada didalam table 4.1, 4.2, 4.3, dan 4.4 kemudian diplotkan kedalam bentuk grafik untuk mengetahui karakteristik dari masing-masing model yang telah divariasikan. Berikut adalah pembahasan dari keempat tabel tersebut.
a. Untuk lifter (Airfoil Centrifugal Fan)
Pada grafik di atas dapat dilihat bahwa ada dua buah variasi blade yang menghasilkan lift force paling besar yaitu 13 blade dan 15 blade. Akan tetapi pada putaran 2000 RPM 13 blade mengalami penurunan lift force, sebaliknya 15 blade mengalami peningkatan lift force, dan secara keseluruhan variasi 15 blade lebih stabil ketika dioperasikan dalam putaran sedang sampai akhirnya di operasikan pada putaran tinggi (maksimum 2100 RPM).
Gambar 4.7 RPM vs Efisiensi pada variasi Jumlah Blade Pada grafik efisiensi di atas, variasi jumlah blade 16 memiliki efisiensi paling tinggi dan relatif stabil sejak dioperasikan dari 1500 RPM sampai 2100 RPM. Pada variasi 13 blade yang memiliki lift force tinggi ternyata nilai efisiensinya berada di bawah variasi jumlah blade 14,15, dan 16. Sedangkan untuk jumlah blade 15, nilai efisiensinya berada pada posisi ke 2 teratas, dimana sejak pengoperasian pada putaran 1500 RPM sampai 1900 RPM relatif stabil, akan tetapi memasuki putaran 2000 RPM mengalami penurunan efisiensi sebesar 0.011, dan nilai efisiensi sampai 2100 RPM adalah sebesar 0.776
b. Untuk Thruster (Axial Fan)
Gambar 4.8 RPM vs Thrust pada variasi Jumlah Blade Pada grafik diatas, dapat dilihat bahwa kurva thrust terus bergerak naik berbanding lurus dengan semakin tingginya RPM. Nilai thrust terbesar ada pada variasi 6 blade dengan 2100 RPM.
Gambar 4.9 RPM vs Efisiensi pada variasi Jumlah Blade Pada grafik diatas, dapat dilihat bahwa secara keseluruhan variasi blade cenderung mengalami penurunan efisiensi. Akan tetapi untuk variasi 5 dan 6 blade kembali mengalami peningkatan efisiensi seiring dengan pengoperasian pada putaran 2100 RPM. Nilai efisiensi terbesar terjadi pada variasi 6 blade dengan RPM 1700.
4.5.2 Analisa Aliran Fluida Diketahui:
ρ= 1.29 kg/m3
µ= 0.000018 Ns/m2
Hasil perhitungan berdasar data yang diambil dari simulasi adalah sebagai berikut:
LIFTER v d (m) Re Inlet 105.214 0.7 5278236 Wall 103.929 1 7448245 Outlet 171.411 1 12284455 LIFTER v d (m) Re Inlet 191.386 1 13715997 Wall 227.036 1 16270913 Outlet 186.37 1 13356517
Berdasar hasil diatas, diketahui bahwa untuk lifter, aliran fluida secara keseluruhan memiliki karakteristik aliran turbulen, karena nilai Reynolds Number pada inlet=5278236, wall=7448245, outlet=12284455.
Begitu juga pada thruster, Reynolds Number pada inlet=13715997, wall=16270913, dan outlet=13356517 maka karakteristik aliran fluidanya adalah aliran turbulen.
V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Lifter (airfoil centrifugal fan) dengan jumlah blade 15 dan thruster (axial Fan) dengan jumlah blade 6 adalah yang paling optimal dan relatif stabil digunakan untuk menghasilkan lift dan thrust force dengan efisiensi yang terbaik selama dioperasikan pada 1500 RPM sampai 2100 RPM ( RPM maksimum). Sedangkan karakteristik pada lifter
adalah berupa aliran turbulen dengan Reynolds Number pada inlet=5278236, wall=7448245, outlet=12284455. Dan pada thruster juga memiliki karakteristik aliran turbulen dengan Reynolds Number pada inlet=13715997, wall=16270913, dan outlet=13356517
LAMPIRAN Gambar Hasil Simulasi Aliran Fluida
Lifter:
Thruster:
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Allah SWT, atas segala curahan nikmat dan karunia kepada penulis. Juga kepada Ayah dan Ibu di kampung halaman atas segala doa disetiap sujud mereka.
DAFTARPUSTAKA
[1] Rahim, Febri Razaqur (2008), Analisis Aliran Udara Yang Melalui Fan Dan Integrasinya Ke Dalam Sistem Circular Hovercraft Proto X-, Skripsi Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik – Universitas Indonesia : Jakarta.
[2]
http://berita-iptek.blogspot.com/2008/04/hovercraft.html
[3] Yuliawan, Hendra Dwi (2009), Perencanaan Sistem Thruster Dan Lifter Tipe Terpisah Untuk Hovercraft Militer Dengan Payload 15 Ton, Tugas Akhir Jurusan Teknik Sistem Perkapalan FTK – ITS : Surabaya. [4] http://www.balitbang.dephan.go.id/?q=content/hovercra
ft
[5] http://id.wikipedia.org/wiki/Kapal_bantalan_udara [6] Yun, Liang. 2000. Theory And Design Of Air Cushion
Craft.Arnold, A Member Of The Hodder Headline Group : London
[7] Bleier, Frank P. (1998). Fan Handbook, Selection, Application, And Design. McGraw Hill Book Company. New York: USA
[8] Bureau of Energy Efficiency (BEE), Government of India.(2004). Energy Efficiency Guide Book,chapter 5, p 93-112. India.
[9] Chun Lin, Sheam., & Chia Lieh Huang.(2001). An Integrated Experimental and Numerical Study of Forward-Curved Centrifugal Fan. Experimental Paper Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology. Taipei: Taiwan, ROC
[10] Ingram, Grant. (2009). Basic Concepts in Turbomachinery.Ventus Publishing ApS:Durham. [11] Roosevelt, Avenue Franklin. (2010). Tutorials
FINETM/Turbo v8. NUMECA International : Belgium
[12] http://ridwan.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/ 10075/Karakteristik+Aliran+Fluida1.pdf
