1
Peningkatan performa kapal harus dilakukan untuk menunjang kinerja kapal tersebut, terutama untuk kapal yang didesain beroperasi dilingkungan tertentu misalnya sungai yang memiliki kedalaman terbatas. Terlebih lagi apabila kapal tersebut akan dibangun kembali dengan seri yang sama. Salah satu cara untuk meningkatkan performa kapal adalah dengan meningkatkan efisiensi sistem propulsi.
Penelitian ini fokus pada peningkatan efisiensi sistem propulsi dengan menganalisa kecepatan aliran di buritan kapal. Selisih dari kenaikan kecepatan aliran air diantara daerah sebelum dan sesudah melewati propeller menunjukkan kenaikan kecepatan advance. Kecepatan advance berpengaruh terhadap efisiensi propeler. Secara keseluruhan kecepatan advance berpengaruh terhadap efisensi sistem propulsi. Untuk mengetahui kecepatan advance dilakukan simulasi menggunakan CFD software package pada model kapal. Setelah hasil diperoleh, dilakukan desain baru dengan memasang sters wedges di buritan kapal, dengan panjang 1-1.5 % dari panjang kapal kemudian disimulasikan menggunakan CFD software package untuk mengetahui pengaruhnya terhadap peningkatan efisiensi sistem propulsi. Hasilnya menunjukkan bahwa penambahan stern wedges dapat meningkatkan efisiensi sistem propulsi.
Kata Kunci : efisiensi sistem propulsi, kecepatan advance,
sistership, stern wedges.
I. PENDAHULUAN
ewasa ini banyak penelitian di bidang Teknologi Kelautan. Terutama di bidang Teknik Perkapalan. Semua penelitiam tersebut bertujuan untuk meningkatkan kinerja kapal. Baru-baru ini PT Pupuk Sriwidjaja membuat program untuk meremajakan armada kapalnya. Namun ada beberapa hal yang menjadi masalah dalam mewujudkan program tersebut. Salah satunya adalah pendangkalan sungai Musi. Pada penelitian sebelumnya telah diteliti mengenai penggunaan kapal bulk carrier dengan sarat (draft) rendah sehingga dapat beroperasi didaerah sungai [1]. Namun penelitian tersebut masih belum sempurna sehingga perlu dilakukan penelitian lebih mendalam terutama dari segi performa kapal. Salah satu cara untuk meningkatkan performa kapal bulk carrier ini adalah dengan melakukan modifikasi dibentuk buritan kapal (stern). Beberapa cara untuk melakukan modifikasi dibagian buritan adalah memodifikasi ukuran transon, memasang stern flap, memasang stern wedge dan lain sebagainya. Modifikasi ini dilakukan untuk mengubah atau memperbaiki aliran air guna memaksimalkan
aliran air yang akan memasuki dan melewati propeller. Hal ini tentu saja untuk meningkatkan efisiensi sistem propulsi. Atas dasar pertimbangan tersebut penulis mengangkat judul “Modifikasi Bentuk Buritan Kapal Pada Shallow Draft Bulk
Carrier Untuk Meningkatkan Efisiensi Sistem Propulsi”.
Diharapkan dari penelitian ini diperoleh pembuktian bahwa dengan mengoptimalkan bagian buritan kapal dapat meningkatkan efisiensi sistem propulsi.
II. TINJAUANPUSTAKA
A. Kapal Bulk Carrier
Kapal Bulk Carrier adalah kapal yang dibangun khusus untuk mengangkut muatan curah (tidak menggunakan wadah/ pembungkus) yang diangkut sekaligus dalam jumlah besar dan dengan cara dicurahkan sekaligus kedalam ruang muat kapal. Kapal ini memiliki desain lambung sederhana dengan bentuk lambung hampir menyerupai kotak atau memiliki harga CB (Coefisien Block) mendekati 1. Sehingga kapal ini juga dapat dikatakan sebagai tipe kapal barge dengan sistem penggerak sendiri atau disebut juga dengan Self Propeller
Barge. Selain memiliki sistem penggerak sendiri, kapal ini
juga memiliki superstructure meskipun kecil. Kapal barge memiliki alas lambung yang datar dan sarat yang rendah, sesuai untuk jalur operasi sungai atau kanal dengan kedalaman terbatas.
B. Fenomena Aliran Air Dibelakan Kapal
Fenomena yang terjadi dibagian belakang kapal akibat perubahan dari kecepatan aliran yang dihasilkan dari bagian depan kapal. Aliran air yang nantinya memasuki propeller berdampak pada harga efisiensi sistem propulsi kapal. Fenomena aliran air dibelakang kapal antara lain,
1) Velocity of advance (Va) dan Wake (w)
Dalam setiap aliran air yang bergerak pada badan kapal dari depan kapal sampai ke bagian buritan kapal, selalu terjadi
wake / arus ikut (w) yang merupakan perbedaan antara
kecepatan kapal dengan kecepatan air yang melalui baling-baling [2]. Semakin besar w yang terjadi akan mengakibatkan Va akan menjadi lebih kecil. Dengan Va yang semakin kecil maka daya yang diperlukan untuk mendorong kapal agar mencapai kecepatan yang diinginkan akan menjadi lebih besar, berdasarkan rumusan berikut ini [4]:
MODIFIKASI BENTUK BURITAN PADA SHALLOW DRAFT
BULK CARRIER UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI SISTEM
PROPULSI
A. Yoni Setiawan, Wasis Dwi Aryawan
Teknik Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
wasis@na.its.ac.id
Va / Vs = (1-w) (1) Sehingga wake friction (w) dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut [4] :
w = 0.3095.Cb + 10.Cv.Cb – 0.23 D/(BT)0.5 (2)
Wake pada kapal dapat terjadi karena pengaruh lambung
kapal itu sendiri (dimana air akan mengalir menuju buritan dan membentuk arus) atau juga karena gerakan baling-baling kapal sehingga pada daerah disekitar baling-baling mengandung arus sesuai arah gerak baling-baling tersebut. Besarnya Va dapat dirumuskan sebagai berikut [4]:
Va = (1-w) Vs (3)
Dengan :
Va : Velocity of advance Vs : Kecepatan dinas kapal
w : Wake friction
2) Efisiensi Sistem Propulsi (ƞD)
Pada Tugas Akhir ini dikaji hanya pada perubahan efisiensi sistem propulsi karena nantinya diharapkan terjadinya peningkatan sistem propulsi kapal tanpa harus mengganti mesin kapal. Besarnya efisiensi sistem propulsi ƞD dapat dirumuskan sebagai berikut [4]
. DHP = EHP / ȠD (4) Efisiensi Sistem Propulsi dapat dicari dengan rumusan sebagai berikut
ƞD = ƞH x ƞR x ƞP (5) ƞH atau disebut juga dengan Hull Efficiency dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut,
ƞH = (1 – t) / ( 1- w ) (6) ƞR atau disebut juga dengan Relative-rotative
Efficiency dapat dihitung dengan menggunakan rumus
sebagai berikut, ƞR = 0.98
ƞP atau disebut juga dengan Propeller Efficiency dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut,
ƞP = (J/2π) x (KT/KQ) (7) menetukan efisiensi propeller melalui kurva KT-KQ-J. Pada satu kurva KT-KQ-J pada AE/AO tertentu terdiri dari beberapa kurva KT dan efisiensi propeller yang Jumlahnya tergantung pada banyaknya variasi P/D dan 1 (satu) kurva KT design. Efisiensi propeller didapat dari menggabungkan titik-titik kurva efisiensi hasil dari perpotongan kurva KT dan KT(design) yang kemudaian dicari persamaan kuadrat untuk mendapatkan titik puncak dari kurva efisiensi yang akan menjadi nilai efisiensi propeller. Adapun rumus dari KT(design) adalah sebagai Berikut: [4]
KT(design) = (T . J2) / (V2 . D2) (8)
3) Stern Wedges
Stern wadges merupakan salah satu bentuk
modifikasi kapal dibagian buritan kapal tepatnya antara station 19,5 – station 20 atau di bawah transom. Stern
wedges dipasang dibagian bawah lambung buritan kapal
yang tercelup air tepat di bawah transom , dibuat antara sudut wedge relatif 0o , 4o,7o dan 10o dari permukaan lambung kapal dengan panjang stern wedges 2% Lpp [2].
Desain stern wedges dibagian buritan
Stern wedges dipasang pada ujung dari buritan kapal, tepat
di bawah transom. Prinsip pokok yang mendasari pemasangan
stern wedges adalah untuk memperbaaiki aliran air yang
terjadi dibagian buritan kapal sehingga nantinya berpengaruh terhadap efisiensi sistem propulsi.
C. CFD (Computational Fluid Dynamics)
CFD merupakan ilmu dibidang sains dalam menentukan penyelesaian numerik dari permaslahan dinamika fluida. CFD adalah bentuk pendekatan dari studi dan pengembangan bidang dinamika fluida selain pendekatan teori dan eksperimen murni di laboratorium.
Adapun beberapa keuntungan yang didapat dari penerapan metode CFD antara lain adalah :
Meminimumkan waktu dan biaya dalam mendesain dan menganalisa suatu model jika dibandingkan dengan eksperimen di laboratorium.
Keakuratan dapat selalu dikontrol selama proses desain dan simulasi.
Dapat melakukan simulasi yang tidak dapat dilakukan dengan eksperimen laboratorium.
Dalam desain kerjanya, permasalahan yang muncul perlu dideskripsikan kedalam software yang mewakili metode CFD dengan menggambarkan model yang akan dianalisa, sifat-sifat dari fluida yang mempengaruhi model dan juga perlu ditetapkan kondisi batasnya. Selanjutnya dilakukan running program CFD untuk menghasilkan output yang diharapkan.
3
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Diagram Alir Penelitian
Diagram alir pengerjaan Tugas Akhir
1) Identifikasi dan Perumusan Masalah
Pada Proses awal ini akan dilakukan pengidentifikasian dan perumusan masalah tentang konsep apa saja yang selanjutnya akan dikerjakan untuk memperoleh hasil akhir atau kesimpulan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini.
2) Penentuan Tujuan
Setelah diketahui permasalahan dari rumusan masalah yang ada, maka tujuan dari penelitian ini adalah memodifikasi bentuk buritan kapal dengan memasang stern wedges untuk meningkatkan efisiensi sistem propulsi.
3) Studi Literatur
Studi literatur dilakukan untuk mendapatkan literatur-literatur atau referensi mengenai semua yang berhubungan dengan pengerjaan Tugas Akhir ini terutama tentang modifikasi bentuk buritan kapal, fenomena aliran didaerah buritan kapal dan stern wedges. Studi literatur dapat
diperoleh melalui buku teks, jurnal atau paper, laporan penelitian yang berkaitan, internet dan sebagainya selama materi didalamnya masih berkaitan dengan permasalahan yang dibahas dan dapat membantu penyelesaian Tugas Akhir ini.
4) Pengumpulan Data
Pengumpulan data dilakukan untuk mendapatkan ukuran utama kapal dan ukuran stern wedges yang sesuai dengan kapal yang akan dilakukan penelitian ini. Ukuran utama dan ukuran model kapal diambil pada saat kapal sedang diuji towing tank di Laboratorium Hidrodinamika Teknik Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan ITS.
5) Pengolahan Data
Tahap berikutnya setelah pengumpulan data adalah melakukan pengolahan data.Pada tahapan dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu:
a) Permodelan Lambung dan stern wedges
Pembuatan model numerik kapal meliputi lambung kapal, modifikasi lambung bagian buritan dengan penambahan stern wedges. Permodelan ini nantinya digunakan untuk simulasi model.
b) Ukuran Stern Wedges
Stern wedges dibuat sesuai dengan bentuk buritan
kapal dan diletakkan dibagian bawah dari buritan kapal yang tercelup air. Untuk memperoleh ukuran
stern wedges, panjang kapal dan sarat kapal menjadi
acuannya.
c) Variasi kecepatan dan letak plane
Untuk mendapatkan perbandingan hasil yang diperoleh nantinya dilakukan beberapa vaiasi yaitu kecepatan dan plane. Pada penelitian ini digunakan 4 (empat) variasi kecepatan. Sedangkan Plane merupakan lokasi yang nantinya menjadi fokus penelitian. Variasi tersebut berupa petetakan lokasi dari plane yang dibagi menjadi 4 (empat) jarak sesuai dengan diameter plane.
6) Simulasi CFD
Setelah model numerik berhasil dibuat selanjutnya dilakukan simulasi dengangan menggunakan software
CFD untuk mengetahui karakteristik fluida yang terjadi
yang berpengaruh terhadap aliran air di buritan kapal.
7) Analisa Data (Aliran diburitan Kapal)
Pada tahap ini dilakukan analisa data hasil dari simulasi model numerik pada software CFD. Data – data yang diperoleh dari simulasi model numerik ini digunakan untuk menentukan perhitungan dan kesimpulan akhir dari Tugas Akhir ini.
8) Kesimpulan
Kesimpulan yang diambil dengan mengacu dari hasil analisa data yang dilakukan setelah disesuaikan dengan teori-teori atau literatur yang berkembang saat ini.
9) Pembuatan Laporan
Pada tahapan ini semua hasil laporan dari awal hingga akhir akan didokumentasikan kedalam laporan akhir. Didalam laporan akhir telah diperoleh kesimpulan dari Tugas Akhir.
IV. SIMULASI MODEL KAPAL
Setelah diperoleh data yang diinginkan selanjutnya adalah melakukan simulasi kedua model yaitu model kapal asli dan model kapal + stern wedges menggunakan CFD software
package. Pada tahapan ini mengacu pada penelitian
sebelumnya yang telah dilakukan [1]. Simulasi dilakukan untuk mengetahui nilai kecepatan advance dari model kapal. Tahapan – tahapan yang dilakukan pada proses simulasi ini untuk mendapatkan nilai kecepatan di buritan kapal adalah sebagai berikut.
1. Pembuatan model lambung kapal asli dan lambung kapal +
Stern wedges
2. Merancang lokasi plane pada model kapal asli dan kapal +
stern wedges
3. Menentukan kecepatan aliran dari setiap lokasi plane
A. Pembuatan Model Lambung Kapal
Model lambung kapal yang digunakan untuk melakukan analisa aliran air diburitan kapal digambar menggunakan bantuan software Ship Design. Pertimbangan dari penggunaan software ini adalah tersedianya fitur-fitur yang mendukung dan memudahkan proses pembutan lambung kapal berdasarkan data ukuran utama kapal dan software ini telah banyak digunakan dalam dunia perkapalan baik itu dalam dunia pekerjaan ataupun dunia pendidikan.
Untuk model lambung kapal asli didapat dari data kapal yang telah ada yaitu kapal SPUB dengan ukuran utama sebagai berikut: Loa : 134.00 meter Lpp : 130.70 meter Breadth : 26.40 meter Depth : 11.00 meter Draft : 5.40 meter Vs : 10 knot
kemudian dilakukan modifikasi dibagian buritan kapal dengan memasang stern wedges yang dipansang dibawah transom dengan dimensi stern wedges sebagi berikut:
Lsw : 2.000 meter Tsw : 0.175 meter β : 10o
θ : 6o
untuk lebih jelasnya mengenai model lambung kapal asli dan lambung kapal + stern wedges dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Model lambung kapal asli
Model lambung kapal+stern wedges
B. Merancang Lokasi Plane
Pada CFD software package fitur yang digunakan untuk menganalisa aliran air di buritan kapal adalah plane. Oleh karena itu lokasi plane perlu dirancang sedemikian rupa untuk mewakili nilai kecepatan advance didaerah buritan kapal.
Plane dirancang sesuai dengan diameter propeller kapal.
Lokasi plane direncanakan menjadi 4 (empat) lokasi berbeda yaitu plane 1 pada AP, plane 2 sejauh 0.25 D dari AP, plane 3 sejauh 0.5 D dari AP dan plane 4 adalah propeller plane. Ke - 4 (empat) variasi plane ini akan diberlakukan pada kedua model kapal dan nantinya akan dibandingkan hasilnya. Lokasi
plane digambarkan seperti gambar dibawah ini
5
C. Menetukan Harga Kecepatan aliran pada plane
Setelah simulasi dilakukan maka akan muncul variasi warna pada masing-masing plane yang mempunyai nilai tertentu tergantung pada lokasi plane yang telah dirancang. Warna ini didapat dari fitur contour pada CFD software
package. Dikarenakan plane berbentuk lingkaran sesuai
dengan diameter propeller maka untuk menganalisa plane tersebut perlu dibuat sistem kordinat dari plane dan plane dibagi menjadi 5 (lima) jari-jari yaitu 0.2 R, 0.4 R, 0.6 R, 0.8 R dan 1.0 R. Dari jari-jari ini nantinya akan membentuk sebuah lingkaran kecil dan lingkaran ini dibagi menjadi beberapa sudut diantaranya adalah 30o,60o, 90o, 120o, 150o, 180 o, 210o,240o, 270o, 300 o, 330 o dan 360 o. setiap perpotongan sudut dan jari-jari tiap lingkaran akan menunjukan sebuah warna, dari warna tersebut nantinya akan dicocokkan dengan petunjuk warna yang memiliki nilai pada
contour kecepatan diburitan kapal.
Sistem koordinat plane
Selain variasi lokasi plane, pada simulasi ini juga diberlakukan variasi kecepatan kapal yaitu 0.197 m/s. 0.222 m/s, 0.247 m/s dan 0.271 m/s. Dari beberapa variasi tersebut nantinya akan analisa 32 variasi plane sesuai dengan kecepatan dan lokasi plane yang telah direncanakan.
V. HASIL SIMULASI
A. Efisiensi propeller
Dengan menggunakan kurva KT-KQ-J dan kecepatan aliran di plane 4 untuk propeller plane sebagai input harga kecepatan aliran pada propeller yang berpengaruh terhadap nilai KT(design) maka didapatkan nilai efisiensi propeller untuk model kapal asli dan kapal + stern wedges. Adapun dimensi dari propeller sebagai berikut:
Diameter Propeller (D) : 2400 mm Pitch : 2039 mm Jumalah Daun Propeller : 4 AE/AO : 0.587
Tabel efisiensi propeller kapal asli
No. Vs (m/s) Efisiensi Propeller
1 0.197 0.50307
2 0.222 0.52802
3 0.247 0.57011
4 0.271 0.58251
Tabel efisiensi propeller kapal + Stern wedges
No. Vs (m/s) Efisiensi Propeller
1 0.197 0.66880
2 0.222 0.71214
3 0.247 0.71701
4 0.271 0.71797
B. Perhitungan Efisiensi Sistem Propulsi
Setelah didapat nilai efisiensi propeller yang merupakan salah satu dari komponen efisiensi sistem propulsi, selanjutnya dicari nilai wake untuk mendapatkan efisiensi
hull. Setelah semua komponen didapat maka dapat dicari nilai
efisiensi sistem propulsi.
1) Efisiensi sistem propulsi model kapal asli
Tabel efisiensi sistem propulsi pada propeller plane
No Vs wake Efisiensi Propeller Efsiensi sistem Propulsi m/s 1 0.197 0.075738 0.50307 0.48986 2 0.222 0.075447 0.52802 0.51400 3 0.247 0.075192 0.57011 0.55482 4 0.271 0.074965 0.58251 0.56674
2) Efisiensi sistem propulsi model kapal + stern wedges
Tabel efisiensi sistem propulsi pada propellers plane
No Vs wake Efisiensi Propeller Efsiensi sistem Propulsi m/s 1 0.197 0.07583 2 0.66880 0.65131 2 0.222 0.07553 9 0.71214 0.69329 3 0.247 0.07528 3 0.71701 0.69784 4 0.271 0.07505 6 0.71797 0.69861 Untuk membandingkan hasil efisiensi sistem propulsi pada kedua model, maka dibuat diagram perbandingan efisiensi
Diagram perbandingan efisiensi pada propeller plane Dari diagram diatas terlihat dengan jelas bahwa pemasangan stern wedges meningkatkan efisiensi sistem propulsi karena efisiensi pada model kapal + stern wedges lebih tinggi jika dibandingkan dengan model kapal asli. Peningkatan efisiensi sistem propulsi semakin meningkat seiring dengan bertambahnya kecepatan kapal.
VI. KESIMPULAN
Setelah melakukan simulasi terhadap model kapal asli dan model kapal + stern wedges dan melakukan analisa serta perhitungan maka didapat beberapa kesimpulan yaitu:
1. Ditinjau dari bentuk lambung kapal, salah satu modifikasi yang dimungkinkan untuk diaplikasukan pada bagian buritan kapal adalah dilakukan pemasangan stern wedges.
2. Untuk mendapatakan nilai kecepatan di buritan kapal dilakukan permodelan dengan menggunakan metode numerik yaitu dengan memanfaatkan CFD software package.
3. Pemasangan stern wedges pada model kapal dapat meningkatkan kecepatan aliran di buritan kapal sehingga meningkatkan efisiensi sistem propulsi. Pada kecepatan dinas kapal kenaikan efisiensi sistem propulsi akibat dari pemasangan stern wdges sebesar 20% dari model kapal asli.
Proses simulasi dengan menggunakan CFD software
package dapat dilakukan untuk menggantikan percobaan di
laboratorium untuk mengetahui harga kecepatan aliran di buritan kapal yang digambarkan dengan variasi warna pada fitur plane pada CFD software package. Jika dimungkinkan
untuk pengembangan selanjutnya diharapkan melakukan
penambahan variasi lokasi pemasangan stern wedges diposisi lain pada buritan kapal untuk mendapatkan perbandingan hasil yang lebih optimal.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis A Yoni Setiawan mengucapkan terima kasih kepada Ir. Wasis Dwi Aryawan, M.Sc, Ph.D, selaku dosen pembimbing tugas akhir dan Sony Anggara, ST., MT selaku pihak yang memberi referensi dan pembelajaran selama pengerjaan tugas akhir ini.
DAFTARPUSTAKA
[1] Anggara, Sony. (2013). Thesis. Studi Komperatif Performaa
Hidrodinamik Kapal Bertipe Shallow Draft Barge Pada Kondisi Perairan Dangkal, Sedang dan Dalam. Surabaya: Institut Teknologi
Sepuluh Nopember (ITS).
[2] Harvald. S.S. (1983). Resistance and Propulsion of Ships. New York: John Wiley and Sons.
[3] Karafiath. G and Fisher. S. (1987). The Effect Of Stern wedges On Ship Powering Performance. Naval Engineer Journal, may 1987.
[4] Lewis, Edward, V.(1988). Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME), Principles of Naval Architecture Vol. II,
Resistance and Propulsion. New Jersey.
[5] Starke A.R, van der Ploeg and Veldhuis C.H.J. “Trim wedge optimization using RANS/FS”. Maritime Research Institute Netherlands
