BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Secara umum dalam penyusunan tugas akhir ini ada beberapa landasan teori yang dapat menunjang pembuatan tugas akhir ini, diantaranya :
2.1.Hovercraft
Hovercraft adalah sebuah kendaraan yang berjalan diatas bantalan udara. Bantalan udara tersebut ditimbulkan dengan cara meniupkan udara ke ruang bawah kapal ini (plenum chamber) melalui skirt (sekat yang lentur) sehingga tekanan udara di dalam plenum chamber lebih tinggi daripada tekanan udara luar sehingga timbul gaya angkat. Untuk menggerakan hovercraft, digunakan fan untuk menghasilkan gaya dorong.
Gaya-gaya pada hovercraft relatif sama terhadap gaya-gaya aerodinamika. Aerodinamika merupakan interaksi antara badan/ body yang bergerak relatif terhadap medium fluida/ udara/ atmosfir. Prinsip aerodinamika ini sangat berguna dalam perencanaan sebuah desain yang optimal, terutama untuk body suatu kendaraan. Terdapat 4 gaya-gaya yang utama pada aerodinamika, yaitu :
2.1.1. Thrust Force (gaya dorong)
Gaya dorong dihasilkan dari daya propulasi yang menghasilkan cukup tekanan untuk membuat suatu kendaraan bergerak. Pada hovercraft sendiri gaya dorong dapat dihasilkan melalui fan atau blower yang difungsikan untuk menghasilkan tenaga untuk mendorong
Gaya dorong (Thrust force) harus ditentukan pada hovercraft agar kendaraan ini mampu bergerak maju dan dapat di kendarai. Untuk itu perhitungan gaya dorong pun harus dilakukan agar rancang bangun ini bisa terealisasikan. Perhitungannya adalah sebagai berikut:
a. Aerodynamic Profile Drag atau Tahanan Udara (
Ra
)= × × × ... (1)
Dimana :
ρa = Masa jenis udara v = Kecepatan hovercraft
Sa = Luas permukaan hovercraft diatas air
Ca = Koef aerodynamic profil drag untuk hovercraft
b.
Air Cushion Wave-making Drag (Rw
)=
× ×... (2)
Dimana : Pc= Cushion pressure Bc = Cushion beam ρw = 1025 km/m3Cw = Koef. Wave making drag
Untuk menentukan (
Cw
) maka dilakukanpembacaan grafik dengan terlebih dahulumenghitung Froude number ( lFr
) denganrumus sebagai berikut :Fr
=v / g ´ lc
Gambar II 1 Koefisien Cwc. Differential Air Momentum Drag from Leakage Under Bow/Stern seal atau Tahanan Trim (Rα’’)
′′ = tan ... (3)
Dimana : W = Berat total hovercraft Ψi = Sudut antara permukaan hovercraft dengan permukaan gelombang d. Aerodynamic Momentum Drag atau Tahanan Momentum ( Rm) = . . ... (4)
Dimana : Q = Volume udara angkat V = Kecepatan hovercraft ρa = 1,2257 kg/m3 e. Skirt Drag atau Tahanan Skirt = + ... (5) = × 10 . . . ... (6) = 0.5 ... (7) = . ... (8) = 2.8167 . − 1 ... (9) Dimana :
Rsk1= wet drag of the skirt
Rsk2= Wave making drag due to skirt Rw= air cushion wave making drag Sc = Luas cushion pressure
qw= hydrodynamic head due to craft speed Csk1 = Koef. Hydrodynamic drag (2,5 – 3,5)1 Csk2 = koef wave making drag skirt
1 Hendra Dwi Yuliawan.1998. Perencanaan sistem thruster dan lifter sistem terpisah untuk
hovercraft militer dengan payload 15 TON.Surabaya: Kampus ITS.
h = air clearance ρw = 1025 kg/m3
= ′× ( + + + ) ...(10)
Gambar II 2Thrust force pada hovercraft
2.1.2. Lift Force (gaya angkat)
Gaya angkat dihasilkan dari gaya propulasi yang menghasilkan cukup tekanan untuk mengangkat suatu kendaraan. Pada hovercraft, gaya angkat juga dihasilkan dari tekanan udara yang berasal dari fan yang dialirkan menuju bag (cushion pressure) hovercraft. Selanjutnya udara kemudian akan mengisi bag melalui lubang outlet yang berada pada dinding hull dan membuat bag mengembang. Selanjutnya aliran tekanan udara tersebut dikeluarkan melalui lubang-lubang pada bag yang berfungsi sebagai lubang outlet bagi tekanan udara yang berada pada bag, dimana tekanan udara yang keluar dari outlet bag tersebut akan menghasilkan tekanan yang akan mengakibatkan hovercraft terangkat.
Gambar II 3Lift force pada hovercraft
Secara teoritis, gaya angkat pada hovercraft dapat diketahui dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
Daya untuk sistem lifter
= ( × )/ . ... (11)
Keterangan :
Ni = Daya sistem lifter H = Tekanan total fan (N/m2) Q = Volume udara angkat (m3/s)
f = Effisiensi fan m = Effisiensi mekanik Debit udara angkat
= ′ (2 / ) ... (12)
Keterangan :
Q = Debit udara angkat (m3/s)
Q’ = Koefisien aliran udara angkat hovercraft berdasarkan statical method nilainya 0.015-0.0302
Sc = Luas cushion pressure (m2)
2
Liang Yun & Alan Bliault.2000. Theory and design of aor cushion craft.London: Arnold.
Pc = Tekanan oleh berat total hovercraft terhadap luasan bantalan tekan (N/m2)
ρa = Massa jenis udara (1.2257 kg/m3) Tekanan total fan
= ′. . ... (13)
Keterangan :
H = Tekanan total fan H’ = Koefisien total fan
U2 = Circular velocity of the fan impeller (m/s), untuk airfoil biasanya 80<u2<110 m/s3
ρa = Massa jenis udara (1.2257 kg/m3)
2.1.3. Drag Force (gaya hambatan /berlawanan dengan arah gaya dorong)
Drag force merupakan salah satu gaya aerodinamika yang arah gayanya berlawanan dari arah gaya thrust (gaya dorong) sehingga berpengaruh untuk menghambat gerah dari hovercraft. Dengan mengurangi drag force ini maka akan meningkatkan kerja dan efisiensi dari system propulasi yang digunakan untuk menghasilkan gaya dorong. Drag merupakan suatu gaya mekanis yang disebabkan oleh interaksi dan kontak dari solid body dengan fluida seperti udara atau air. Sehingga dapat dikatakan jika tidak ada fluida maka tidak akan ada gaya hambatan.
2.1.4. Weight Force (gaya berat)
Weight force merupakan gaya berat yang disebabkan oleh massa dari solid body. Arah dari gaya berat ini berlawanan dari arah gaya angkat. Konstruksi beban terfokus pada center of grafity pada solid body, sehingga diperlukan gaya angkat yang besar dan system lifter yang baik sehingga hovercraft dapat terangkat.
3
Liang Yun & Alan Bliault.2000. Theory and design of aor cushion craft.London: Arnold.
2.2.Bagian – Bagian Hovercraft
Hovercraft terdiri dari beberapa komponen utama, diantaranya : 1. Hull
Hull adalah badan hovercraft yang dapat dibuat dari marine alluminium ataufiberglass, serta dibuat kedap air. Rongga didalam hull diisi dengan polyurethane foam yang membuat hovercraft tetap mengapung jika terjadi kebocoran pada hull.
2. Skirt
Skirt merupakan bagian hovercraft yang berfungsi untuk menahan udara dibawah hovercraft agar tidak mudah keluar. Skirt terbuat dari tekstil yang dilapisi karet untuk menjaga agar udara tetap berada di dalam ruang dibawah hull.
Sistem bantalan udara pada hovercraft memegang peranan penting, karena pada sistem bantalan udara inilah hovercraft dapat dibedakan dengan kapal konvensional. Sistem bantalan udara menyebabkan badan hovercraft terangkat keatas permukaan air, sehingga seolah-olah mengambang.
3. Plenum chamber
Plenum chamber meupakan salah satu prinsip kerja hovercraft, prinsipnya adalah dengan memompakan udara ke dalam sebuah rongga dibawah badan kapal, rongga ini merupakan suatu bantalan yang diisi dengan udara bertekanan dan sebagian dari udara ini keluar dari bocoranbocoran di sekeliling badan hovercraftseperti pada gambar II.3. Sistem ini membutuhkan daya yang cukup besar untuk mengangkat badan hovercraft
Gambar II 4Pleuneum chamber
4. Peripheral jet
Sistem ini juga dikenal sebagai sistem jet annular atau momentum jet curtain. Sistem ini bekerja dengan menciptakan bantalan udara yang diisi dengan udara yang diterima dari jet udara yang kontinyu. Jet udara ini letaknya disekeliling badan hovercraft dengan arah kedalam dan kebawah. Sistem ini membutuhkan daya yang lebih kecil untuk mengangkat badan hovercraft jika dibandingkan dengan sistem open plenum atau open chamber seperti terlihat pada gambar II.4.
Gambar II 5Peripheral jet
5. Motor Penggerak
Motor penggerak merupakan sumber energi utama yang menggerakan hovercraft dalam hal ini motor penggerak yang digunakan adalah motor bakar bensin yaitu sebuah alat yang digunakan untuk mengubah energi kimia menjadi energi panas kemudian diubah menjadi energi mekanik.
Motor bakar ditinjau dari prinsip kerjanya dibagi menjadi 2 macam :
1. Motor 2 Tak ( 2 langkah )
Motor 2 tak bekerja dengan 2 langkah yaitu langkah kompresi dan langkah usaha. Dalam melakukan usahanya memerlukan satu kali putaran poros engkol untuk 2 kali langkah torak.
1) Langkah kompresi dan langkah hisap
Dalam motor 2 tak terjadi 2 langkah berbeda yang terjadi secara bersamaan yaitu langkahkompresiyang terjadi pada ruang silinder atau pada bagian atas dari piston dan langkah hisap yang terjadi pada ruang engkol atau pada bagian bawah piston. Torak bergerak dariTMB(titik mati bawah) ke TMA(titik mati atas), pada saat saluran pembiasan tertutup mulai dilakukanlangkah kompresipada ruang silinder dan pada saat saluran hisap membuka makacampuran udara dan bensin akan masuk ke dalam ruang engkol.
Gambar II 6Langkah kompresi dan hisap 2) Langkah usaha dan langkah buang
Langkah usaha dan buang yang terjadi pada saat yang tidak bersamaan, jadi langkah usaha dahulu barulah setelah saluran pembiasan dan saluran buang terbuka terjadi langkah buang, seperti terlihat pada gambar II.6.
Gambar II 7Langkah usaha dan buang
Sebelum piston mencapai TMA (titik mati atas), busi akan memercikan bunga api listriksehingga campuran udara dan bahan bakar akar terbakar dan menyebabkan timbulnya daya dorong terhadap piston, sehingga piston akan bergerak dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah), sesaat setelah saluran hisap tertutup dan saluran bias serta saluram buang membuka maka campuran udara dan bahan bakar yamg berada diruang engkolakan mendorong gas sisa hasil pembakaran melalui saluran bias ke sauran buang, seperti terlihat pada gambar II.7.
Gambar II 8Proses pembuangan
2. Motor 4 Tak ( 4 langkah )
Motor 4 tak bekerja dengan 4 langkah, yaitu langkah hisap, kompresi, kerja dan buang. Dalam usahanya memerlukan 2 kali putaran poros engkol untuk 4 kali langkah torak.
1) Langkah hisap
Ketika katup hisap terbuka dan katup buang tertutup, torak bergerak kebawah menuju TMB sehingga terjadi kevakuman di sekitar ruang bahar yang mengakibatkan campuran udara dan bahan bakar akan terhisap ke ruang bakar, seperti pada gambar II.8.
Gambar II 9Langkah hisap
2) Langkah kompresi
Campuran udara dan bahan bakar yang terhisap di ruang bakar kemudian dimampatkan oleh torak yang bergerak menuju TMA, kedua katup hisap dan katup buang tertutup selama gerakan tekanan dan suhu campuran udara bensin menjadi naik. Bila tekanan campuran udara bensin ini ditambah lagi, tekanan serta ledakan yang lebih besar lagi dari tenaga yang kuat ini akan mendorong torak ke bawah. Sekarang torak sudah melakukan dua gerakan atau satu putaran, dan poros engkol berputar satu putaran, seperti gambar II.9.
Gambar II 10Langkah kompresi
3) Langkah Kerja
Campuran udara bahan bakar yang dihisap telah dibakar dan menghasilkan tenaga yang mendorong torak ke bawah menuju TMB meneruskan tenaga penggerak akibat pembakaran.Selama gerak ini katup hisap dan katup buang masih tertutup dantorak telah melakukan tiga langkah dan poros engkol berputar satu setengah putaran, seperti pada gambar II.10.
Gambar II 11Langkah kerja
4) Langkah buang
Torak yang terdorong ke bawah menuju TMB akibat pembakaranakan naik kembali ke TMA untuk mendorong gas-gas yang telah terbakar dari silinder. Selama gerak ini katup buang saja yang
terbuka. Bila torak mencapai TMA sesudah melakukan pekerjaan tersebut, torak akan kembali pada keadaan untuk memulai gerak hisap. Sekarang motor telah melakukan 4 gerakan penuh, hisap – kompresi – kerja – buang. Poros engkol berputar 2 putaran dan menghasilkan satu tenaga, seperti pada gambar II.11.
Gambar II 12Langkah buang 6. Fan
Fan adalah sebuah mesin fluida yang berfungsi untuk menggerakan fluida berupa udara, dan menaikan tekanan dari fluida tersebut. Fan dibedakan menjadi dua jenis, yaitu :
1) Fan sentrifugal
Fan sentrifugal meningkatkan kecepatan aliran udara dengan inpelerberputar. Kecepatan menigkat hingga mencapai ujung blade dan kemudiandiubah ke tekanan. Fan ini mampu menghasilkan tekanan tinggi yang cocokuntuk kondisi operasi kasar, seperti system dengan suhu tinggi, aliran udara kotor atau lembab, dan handling bahan, seperti pada gambar II.12.
Gambar II 13Fan sentrifugal
Fan sentrifugal menurut bentuk bladenya dapat dikategorikan sebagai berikut :
a. Fan radial dengan blade datar
Fan ini bekerja seperti fan sentrifugal pada umumnya, yaitu udara masuk melalui arah aksial, kemudian dikeluarkan melalui arah radial. Fan ini cocok beroperasi pada laju aliran udara rendah sapmai medium, konstruksi fan yang sederhana (seperti pada gambar II.13), membuat fan ini mudah untuk diaplikasikan dan memiliki efisiensi mencapai 75%.
Gambar II 14Fan radial dengan blade datar
b. Forward-curved fan
Bentuk dari fan ini melengkung kedepan dengan blade yang melengkung kedepan (seperti pada gambar II.14), sehingga fan ini dapat menggerakan volume udara yang relatif besar terhadap tekanan yang relatif rendah sehingga tingkat kebisingannya rendah dan cocok digunakan untuk pemanasan perumahan, ventilasi dan penyejuk udara. Tetapi outlet fan ini sangat sulit untuk diatur secara tepat sehingga efisiensi energinya relative rendah, yaitu antara 55 – 65
Gambar II 15forward-curved fan
c. Backward inclined fan dengan blade yang miring jauh dari perputaran
Secara umum fan jenis ini dapat beroperasi dengan perubahan tekanan statis sehingga cocok sekali untuk sistem yang tidak menentu pada aliran udara tinggi, dan fan ini memiliki efisiensi 85%. Menurut bladenya, fan ini dapat dibedakan menjadi :
1) Backward inclined fan dengan blade datar
Fan dengan jenis blade ini lebih kokoh dan lebih kuat dari jenis blade lainnya karena bentuknya yang datar dan blade yang tebal (seperti pada gambar II.15), sehingga dari segi ketahanan, blade tipe ini adalah yang paling unggul.
Gambar II 16Backward inclined fan dengan blade datar
2) Backward inclined fan dengan blade lengkung
Fan dengan jenis blade ini memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibanding dengan jenis blade datar, efisiensi blade ini bisa melebihi 85 %, tetapi fan jenis ini tidak cocok untuk jenis aliran udara kotor karena
bentuk fan mendukung terjadinya penumpukan debu, seperti terlihat pada gambar II.16.
Gambar II 17Backward inclined fan dengan blade lengkung
3) Backward inclined fan dengan blade airfoil
Fan jenis ini memiliki efisiensi yang paling tinggi diantara fan yang lain sehingga sangat mudah untuk digunakan. Meskipun efisiensinya tinggi, tetapi jenis airfoil blade yang tipis sangat mudah tererosi sehingga dari segi ketahanan fan ini kalah dari fan yang lain Seperti pada gambar II.17.
Gambar II 18Backward inclined fan dengan blade airfoil
2) Fan axial
Fan axial menggerakan aliran udara sepanjang sumbu fan seperti pada gambar II.18. Cara kerja fan ini seperti pesawat terbang yaitu, blade fan menghasilkan pengangkatan aerodinamis yang menekan udara.
Gambar II 19Fan axial
Fan axial dapat dibedakan menjadi beberapa macam, diantaranya : 1. Fan propeller
Fan ini memliliki konstruksi yang sederhana seperti pada gambar II.19, sehingga fan ini tidak membutuhkan saluran kerja yang luas karena tekanan yang dihasilkannya kecil sehingga menghasilkan laju udara tinggi pada tekanan rendah, akan tetapi efisiensi energi dari fan jenis ini relatif rendah. Fan jenis ini sering digunakan untuk ventilasi.
Gambar II 20Fan propeller
2. Fan pipa axial
Efisiensi fan jenis ini lebih baik dari fan propeller sehingga cocok untuk tekanan menengah, selain itu fan jenis ini dapat dipercepat dengan cepat sampai nilai kecepatan tertentu karena putaran massanya rendah dan menghasilkan aliran udara dengan arah yang berlawanan yang biasa digunakan untuk ventilasi, fan ini juga dapat menciptakan tekanan yang
cukup untuk mengatasi kehilangan disaluran dengan ruang yang relatif efisien yang berguna untuk pembuangan, akan tetapi harga fan jenis ini relatif lebih mahal dan efisiensinya relative rendah yaitu 65 % seperti terlihat pada gambar II.20.
Gambar II 21Fan pipa axial
3. Fan dengan baling-baling axial
Jenis fan ini cocok digunakan untuk tekanan sedang sampai tinggi karena efisiensi energinya tinggi dan jika dilengkapi dengan tipe airfoil blade efisiensinya bisa mencapai 85 % , selain itu fan ini dapat dipercepat dengan cepat sampai kecepatan tertentu karena putaran massanya yang rendah dan menghasilkan aliran pada arah berawanan sehingga sering juga diaplikasikan untuk ventilasi tetapi dari segi biaya harga fan ini relative mahal (gambar II.21).
Gambar II 22Fan dengan baling-baling axial
