SKRIPSI “Archimedean Screw Pumps”, TEKNIK PERKAPALAN

BAB 1

                                                                                                                              

I.     1.  LATAR BELAKANG

Sistem propulsi atau penggerak merupakan sistem yang sangat berperan dalam kemampuan gerak suatu kapal. Awal sejarah perkembangan tentang alat gerak kapal telah dimulai pada kisaran 287 – 212 SM yang mana seorang Archimedes menemukan piranti untuk memindahkan air dari danau ke saluran irigasi pertanian Syiracuse di Sicily. Alat ini kemudian dikenal dengan sebutan “Archimedean Screw Pumps”, ^[1] hingga penggerak-penggerak kapal jenis pod yang baru diperkenalkan pada industri perkapalan akhir-akhir ini sesungguhnya berasal dari konsep pendorong jenis azimuth (azimuthing thruster)  yang telah mulai digunakan secara umum sejak 1878. ^[2] Sejak penggunaan pertama kali sampai dengan sekarang, baling-baling sebagai alat penggerak kapal berkembang secara tahap demi tahap. Walaupun demikian saat ini baling-baling merupakan alat penggerak kapal mekanis yang paling banyak digunakan untuk kapal-kapal dari segala ukuran dan jenisnya. ^[3]

Pada kasus-kasus tertentu seperti pada kapal-kapal pemecah es (icebreakers) dan scientific ships, dibutuhkan alat penggerak yang mampu memberikan performance yang lebih, sehingga diperkenalkanlah sistem-sistem penggerak kapal jenis pod (azimuth podded propulsor) yang juga merupakan propulsi jenis elektrik. ^[4] Namun demikian, kebutuhan untuk penggerak-penggerak jenis pod yang lebih besar lagi terjadi sangat cepat selama pertengahan tahun-tahun 1990-an dengan unit-unit atau satuan-satuan yang dayanya makin meningkat dari hanya beberapa megawatt sampai lebih dari 20 megawatt seperti yang ada saat ini. Jenis penggerak-penggerak kapal ini pada awal-awal tahun penggunaannya hanya diterapkan terutama pada kapal-kapal pemecah es (icebreakers) dan kemudian pada kapal-kapal pesiar yang besar-besar (cruisers), tetapi saat ini telah digunakan juga  pada kapal-kapal penyeberangan penumpang/kendaraan jenis roro (ropax ferries), kapal-kapal tanker, kapal-kapal pemasang kabel laut (cable layers), kapal-kapal perang dan kapal-kapal riset. Perkembangan yang sangat cepat ini terpicu oleh pernyataan-pernyataan para penggunanya mengenai daya guna penggerak serta kemampuan olah gerak kapal yang telah nyata-nyata terbukti menjadi lebih baik. ^[2]

            KMP. Sultan Murhum merupakan salah satu jenis kapal ferry yang beberapa waktu lalu direparasi di PT. IKI (Industri Kapal Indonesia) Makassar. Masalah yang terjadi pada KMP. Sultan Murhum yaitu ketidaksesuaian antara luas daun kemudi dengan kemampuan menuvering yang telah ditetapkan, sehingga pada saat kapal melakukan maneuvering badan kapal akan berputar dan diameter turning circle yang dihasilkan terlalu besar. Kerugian yang dapat terjadi bila keadaan ini tetap dipertahankan, yaitu badan kapal akan mengalami kemiringan, dan bisa mengakibatkan tenggelamnya kapal.

Pada penelitian sebelumnya, luas daun kemudi sangat berpengaruh pada kinerja maneuvering KMP.Sultan Murhum. Dari data hasil pengujian diperoleh luas daun kemudi hasil perhitungan (AR = 0,897 m²), performa maneuver yang dihasilkan lebih baik dibandingkan dengan luas daun kemudi yang lain (AR = 0,816 m² dan AR = 1,04 m²). Selain itu kondisi sarat kapal juga berpengaruh terhadap kinerja luas daun kemudi terhadap maneuvering kapal. Dari data hasil pengujian menunjukkan bahwa pada dengan kondisi sarat yang lain. ^[11]

Strategi pengendalian maneuver merupakan hal yang sangat penting dalam sistem navigasi kapal untuk pencapaian target yang telah ditentukan. Dengan adanya kenyataan di atas, maka pada penelitian ini difokuskan pada “Penggunaan Azimuth Podded terhadap Kemampuan Maneuver Kapal”. Penelitian ini akan membandingkan pengaruh jenis propulsi azimuth podded dan propulsi sistem konvensional, khususnya dalam maneuvering kapal.

I.     2.   PERMASALAHAN

Kemampuan Maneuver kapal sangat diperlukan pada saat beroperasi diperairan terutama disaat masuk dan keluar pelabuhan/dermaga. Kemampuan maneuver kapal ini   ditentukan oleh performance  daun kemudi,kondisi laut dan bentuk kapal itu sendiri. KMP Sultan Murhum suatu jenis kapal Ferry yang telah beroperasi beberapa waktu yang lalu memperlihatkan hasil maneuvering yang tidak optimal terutama dalam kondisi laut

yang bergelombang .Hal ini berdampak terhadap durasi dan waktu  operasional kapal bertambah  dan akan berdampak biaya operasional akan bertambah ( operation cost of ships).Untuk mengatasi hal ini maka diperlukan sentuhan teknologi ( technology toushed) yang berkaitan  dengan maneuvering kapal tsb. Dari referensi literature yang ada dan aplikasi  teknologi terhadap penggunaan Azimuth Podded propeler terhadap berbagai  jenis/type menunjukkan bahwa performance Maneuvering kapal lebih effektip dan  optimal bila menggunakan alat tsb,karena  disamping berfungsi sebagai alat penggerak kapal juga untuk maneuvering kapal.

1 .3.BATASAN MASALAH

        Ruang lingkup penelitian ini  lebih  fokus  pada maneuvering kapal, yang meliputi ;

aJenis propeller  yang digunakan sebagai pembanding adalah , type propeller

   konvensional .

b.Kemampuan maneuvering yang dianalisa adalah, Turning circle dan Zig-zag

    maneuver       

1.4.TUJUAN

Langkah utama penelitian ini bertujuan sebagai  berikut  ;

a.Untuk mengetahui kemampuan maneuver kapal bila menggunakan jenis pro-

    pulsor Azimuth podded

b. Dapat  mengetahui  perbedaan esensial  yang mendasar antara jenis propul-

     sor Azimuth podded  dengan jenis  propulsor konvensional

I.     5.  MANFAAT

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah ;

a)      Memberikan pemahaman atau pengetahuan baru terkait jenis propulsor yakni azimuth podded.

b)      Menambah pengetahuan mengenai pengaruh jenis propulsor terhadap kemampuan maneuver kapal.

TINJAUAN PUSTAKA

1.  Standar Maneuverability

Dalam maneuvering sebuah kapal, prosedur yang digunakan mengacu kepada peraturan standar kemampuan maneuver kapal yang direkomendasikan oleh International Maritime Organization (IMO) yakni resolusi MSC.137 (76) annex.6 tertanggal 4 Desember 2002 dan mulai diterapkan sejak tanggal 1 Januari 2004, yang mana resolusi ini merupakan amandemen terhadap resolusi sebelumnya yakni A.751 (18) mengenai standar kemampuan maneuver kapal.

Mengacu kepada penjelasan resolusi tersebut di atas, sebagaimana yang telah direkomendasikan oleh International Maritime Organization (IMO), aturan standar yang dimaksud disini  didasarkan atas pengertian bahwa kemampuan maneuver kapal dapat dievaluasi berdasarkan karakteristik dari pengujian maneuver seperti biasanya atau secara konvensional, dimana kapal yang dimaksud adalah kapal yang memiliki panjang 100 meter atau lebih (kecuali tanker dan gas carrier) dengan menggunakan sistem propulsi dan sistem kemudi (steering) konvensional yakni gaya dorong kapal dihasilkan oleh propeller yang digerakan oleh poros propeller. Standar maneuver dan terminologinya didefinisikan sebagai berikut :

a. Zig zag maneuver dengan sudut kemudi 10 derajat/10 derajat dilaksanakan
    dengan prosedur sebagai berikut :

·         Setelah tercapai steady approach dengan percepatan yawing sama dengan nol, maka kemudi dibelokan sebesar 10 derajat ke arah starboard atau portside (eksekusi pertama).

·         Pada saat sudut heading berubah 10 derajat dari sudut heading semula, maka kemudi dibelokan berlawanan atau dibalik 10 derajat ke arah portside atau starboard (eksekusi kedua).

·         Setelah kemudi dibelokan ke arah portside/starboard, maka kapal akan terus   berbelok pada arah semula dengan mengalami penurunan kecepatan belok. Untuk mengetahui respon kapal terhadap kemudi maka selanjutnya kapal harus dibelokan ke arah portside/starboard. Ketika kapal sudah mencapai sudut heading 10 derajat ke arah portside/starboard dari lintasan semula maka selanjutnya kemudi dilawan atau diarahkan sebaliknya yakni 10 derajat ke arah starboard/portside (eksekusi ketiga).

b. Sudut overshoot pertama adalah penambahan dari deviasi sudut heading pada   zig -zag maneuver pada eksekusi kedua.

c.    Sudut overshoot kedua adalah penambahan dari deviasi sudut heading pada zig-    zag maneuver pada eksekusi ketiga.

d.   Zig-zag maneuver dengan sudut kemudi 20 derajat/20 derajat dilaksanakan
dengan prosedur yang sama dengan urutan prosedur no.3 sampai dengan no.5.

Dalam menganalisa maneuver performance kapal maka pengujian maneuver baik ke arah portside maupun starboard harus dilaksanakan dengan kondisi sebagai berikut:

·         Pengujian dilakukan pada perairan dalam (deep water) atau perairan tak  terbatas (unrestricted water).

·         Kondisi perairan atau linkungan yang tenang (calm environment).

·         Kondisi sarat penuh (sesuai dengan garis air pada musim panas), even keel.

·         Steady approach pada saat speed test.

IMO telah merekomendasikan beberapa kriteria standar untuk manuverabilitas kapal. Kriteria tersebut harus dipenuhi oleh sebuah kapal saat beroperasi baik di perairan yang dalam (deep water) maupun di perairan terbatas atau beroperasi di sekitar pelabuhan atau di perairan yang dangkal (restricted and shallow water).

Untuk lebih jelasnya perhatikan tabel berikut  :

Tabel 1. Standar  Manuverabilitas Kapal oleh IMO (Resolusi MSC 137 (76) 2002)

Ability	Test	Criteria
Turning ability	Turning test with max. Rudder Angle (35 deg.)	Advance <4,5 L Tactical Diameter <5,0 L
Initial turning ability	100 / 100 Z-test	Distance ship run before 2nd rudder execution < 2,5 L
Stopping ability	Stopping test with full astern	Track reach < 15 L
Course-keeping and yaw-checking ability	100 / 100 Z-test	1st Overshoot <100        (L/U<10 <(5+0,5 (L/U))0 (10s<L/U<30s) <200      (30s<L/U)
		2nd Overshoot <250        (L/U<10s) <(17,5+0,75(L/U))0 (10s<L/U<30s) <400         (30s<L/U)

Manuver yang digunakan dalam percobaan di laut mengikuti rekomendasi dari maneuvering trial code of ITTC (1975) and the Imo circular MSC 389 (1985). IMO juga menentukan penampilan dari beberapa hasil pada poster, bucklet dan maneuvering bucklet pada IMO resolution A.601 (15)(1987).

Standar pengujian yang diperlukan dalam manuver kapal disyaratkan dalam IMO Resolusi MSC 137 (76) (2002) antara lain:

Turning Cycle Test.

Turning cycle test, mulai dari gerak lurus dengan laju konstan, rudder dihidupkan dengan kecepatan maksimum ke sudut δ (sudut kemudi maksimum) dan tetap pada sudut tersebut, sampai kapal telah melakukan turning cycle paling kurang 540^o. percobaan dilakukan untuk bagian port dan starboard. Informasi penting yang diperoleh dari manuver tersebut umumnya dengan menggunakan GPS yang terdiri atas (Gambar 1): 

Beberapa parameter yang digunakan untuk mendefenisikan kinerja kapal pada saat berputar adalah:

·           Drift angel (sudut drift), adalah sudut antara haluan kapal dan arah gerakan. Sudut tersebut bervariasi sepanjang kapal.

·           Advance, merupakan jarak dari pelaksanaan awal ke sumbu x pada kapal ketika telah berbelok 90◦.

·           The transfer, merupakan jarak dari jalur ke awal mula kapal ketika sumbu x pada kapal telah berbelok 90◦.

·           The tactical diameter, merupakan jarak dari jalur awal ke sumbu x pada kapal ketika kapal telah berbelok 180◦.

·           The diameter of the steady turning circle, diameter dari lingkaran yang terus-menerus berputar. Kondisi tetap biasanya dihubungkan pada beberapa titik antara perubhan 90^o dan 180^o dari perubahan pos.

Nilai-nilai khas adalah tactical diameter dari 4,5-7 L untuk yang ramping,  2,4-4 untuk kapal pendek dan kapal yang penuh. Menentukan rasio yang ramping L/³√Ñ, dimana Ñ adalah volume displacement.

Turning cycle manuver harus dilakukan pada kedua bagian sisi kapal dengan 30^o atau sudut maksimum kemudi yang diperbolehkan pada tes kecepatan. Informasi penting yang akan diperoleh dari manuver ini adalah tactical diameter, advance, and transfer.

Zig-zag Manuver Test

Beberapa pengukuran penting dari  Zig-zag Maneuver ini antara lain:

·           Overshoot angle adalah jumlah dari pertambahan heading  setelah kemudi berbalik. Sudut yang besar akan membuat juru mudi mengalami kesulitan dalam memutuskan kapan akan menggunakan kemudi untuk memeriksa putaran. Sudut tersebut tidak bergantung pada panjang kapal.

·           Waktu untuk membalikkan kemudi pertama dan perubahan maksimal heading pertama. Waktu akan proporsional terhadap panjang.

·           Sudut overshoot yang tetap dan periode berputar sekali dalam kondisi stabil dapat tercapai.

Sebuah tes zig-zag harus dimulai untuk kedua bagian star board dan port dan dengan menerapkan sudut kemudi.

Dua jenis tes zig-zag standar, yaitu 10^o/10^o dan 20^o/20^o. Tes zig-zag 10^o/10^o menggunakan sudut kemudi 10^o pada kedua sisi dengan heading 10^o. Sedangkan tes zig-zag 20^o/20^o menggunakan sudut kemudi  20^o pada heading 20^o.

Informasi penting yang akan diperolah dari tes ini adalah sudut over shoot, waktu perubahan awal ke execute kedua dan waktu untuk memeriksa yaw.

2.  Sistem Azimuth Podded

Pod propulsion unit adalah sejenis azimuth tipe thruster yang secara langsung digerakkan oleh sebuah motor elektrik yang terpasang pada unit pod. Komponen utama dari sistem tersebut yaitu pod unit, steering unit, motor dan unit penggerak elektrik. Pod dihasilkan oleh European major electric manufacturer seperti ABB, Alstrom dan Semens.  Di Jepang, prototipe dari unit yang asli telah dikembangkan pada proyek Super Eco Ship yang disponsori oleh Pemerintah Jepang. ^[5] Pod propulsion unit telah digunakan pada sebagian besar kapal-kapal pesiar sehingga mampu membuat keistimewaan yang baik termasuk kemampuan steering yang baik, pengurangan getaran dan kebisingan, serta fleksibilitas layout mesin di dalam kapal.^[6]

Pod Propeller merupakan sebuah unit penggerak sistem propulsi elektrik yang digerakkan oleh motor elektrik  pada pod yang menggunakan tenaga elektrik dari power generation plant. Pada sisi lain, baling-baling utama yaitu unit penggerak mekanikal,

Azipod Propulsion

Propulsion Control & Automation

Variable Speed Propulsion Drives

Propulsion Transformers

Generators

Switchboard

secara langsung digerakkan oleh dua set mesin diesel kecepatan medium dengan cara mengurangi gigi persneling dengan kopling dan poros antara. Selama percepatan, pod unit memiliki torsi yang cukup bahkan pada kecepatan rendah dengan keutamaan motor elektrik dan mudah dalam mempercepatnya ke kecepatan tinggi. Pada mode maneuvering, operator dapat memilih kombinasi yang baik pada variasi lebar atau luas baling-baling utama dan keseimbangan daya pod baling-baling.^[6]

Flange slip ring

Flange cooling unit

Penggunaan propulsi motor listrik mulai dari 5 sampai dengan 25 MWatt, menggantikan penggunaan propeller dengan poros dan rudder konvensional. Teknologi pod memungkinkan untuk menempatkan propeller pada daerah aliran air yang optimal (hydro-dynamically optimised). Pod propeller diadopsi dari Azimuth Propeller, dengan menempatkan electro-motor di dalam pod diluar dari badan kapal. ^[3] Ada tiga topik utama dalam podded propulsion yaitu fixed pod, azimuth pod ^[7], dan Contra Rotating Propeller. 

Pod unit terhubung dengan lambung kapal melalui sebuah penopang dan slewing bearing assembly. Pemasangan ini membolehkan pod unit untuk berotasi dan demikian juga dengan daya dorong yang dikembangkan oleh propeller dapat diatur kemanapun juga pada horizon di sebuah kompas 360°. Susunan podded propeller menghilangkan syarat untuk kemudi dan tambahan seperti shaft brackets. Susunan ini berakibat pada drag tambahan yang lebih rendah. Poros yang lebih pendek dapat membantu mengurangi kebisingan dan getaran. Sistem podded propulsion juga menghasilkan maneuverability yang lebih baik daripada propeller konvensional, khususnya dalam water operation. Gambar (3) menunjukkan perbandingan antara susunan sistem propulsi propeller-rudder konvensional dan sistem podded propulsion. 

Motor listrik sebagai propulsor kapal merupakan penemuan mutakhir dan mulai populer akhir-akhir ini di bidang perkapalan khususnya pada motor penggerak kapal, dengan menjanjikan keuntungan dan efisiensi sistem yang lebih baik, motor listrik secara perlahan mulai menggantikan sistem propulsor lain. Salah satu konfigurasi propulsor dengan motor listrik berupa “Azimuthing Podded Drive” atau disingkat Azipod dimana motor listrik berada di dalam pod (tempat berbentuk silinder) yang terletak di luar lambung kapal dan strut yang menghubungkan pod dengan lambung kapal. Selain memiliki rasio berat daya yang rendah, Azipod memberikan keuntungan terhadap olah gerak kapal yaitu mampu berotasi 360⁰ pada sumbu vertikal serta torsi-kecepatan putar yang sangat fleksibel dan mudah dikontrol.^[10]

Dalam menentukan koreksi drag pada pod digunakan persamaan berikut:

ΔR_POD = ΔR_BODY +Δ R_STRUT + ΔR_INT + ΔR_LIFT   ………………(1)                                                                         

dimana, R_BODY, R_STRUT, R_INT dan R_LIFT adalah komponen tahanan yang berkaitan dengan pod body, penopang pod, body-strut interface, dan efek daya angkat untuk mengaduk gerak aliran propeller secara berturut-turut.

Untuk menghitung masing-masing komponen tahanan, digunakan rumus:

a.    R_BODY

dimana, S = luas bidang basah pod body (m²)

              L = panjang pod (m)

              D = diameter pod (m)

              C_f = koefisien tahanan gesek

   ρ = massa jenis air laut (kg/m³)

   V = kecepatan kapal (m/s²)

b.   R_STRUT            

dimana, δ_s adalah ratio ketebakan rata-rata dari strut dan S adalah luang bidang basah strut.

c.    R_INT

dimana, t_root adalah ketebalan maksimum pada strut root and C_root adalah panjang penghubung pada setiap bagian. C_ROUND adalah faktor koreksi untuk berbagai fairing dan nilainya berkisar dari 0,6 sampai 1,0.

Data   Performance  Characteristics                                                 Reduction                                                                                                               Equation J – propeller advance coefficient                                                     V A  / n D KT – propeller thrust coefficient                                                      T / ρn2D4 10KQ – propeller torque coefficient                                                 10Q/ρn2D5 KFX – unit thrust coefficient, or Longitudinal force coefficient,                                                    F X / ρn2D4 KFY – transverse force coefficient                                                   F Y / ρn2D4 KFZ– vertical force coefficient                                                        F Z / ρn2D4 KMX– moment coefficient around x axis                                         M X / ρn2D5 KMY– moment coefficient around y axis                                         M Y / ρn2D5 KMZ– moment coefficient around z axis (steering moment)           M Z / ρn2D5 ρ – water density VA - propeller advance speed, in the direction of carriage motion D – propeller diameter n – propeller rotational speed T – propeller thrust F X, Y, Z - components of the hydrodynamic force on the pod Q – propeller torque M X, Y, Z - components of the hydrodynamic moment on the pod

Untuk mengetahui koefisien performance dari podded propulsor unit, dapat dilihat pada tabel.2 di bawah ini :

Tabel 3. Karakteristik umum maneuvering feasibility dari studi kasus double ended passenger ferry rute Karakoy-Kadikoy ^[12]

 (A: Baik, B: Rata-rata, C: Buruk)

	Propulsion / Manoeuvering System
	Propeller Konvensional dan Kemudi (2x2)	Propeller & High Lift Rudder (2x1)	Propeller Cycloidal (2x1)	Z-Drive (2x2)
Karakoy arrival & departure	B	A	A	A
Station Keeping in Bosphorus	C	B	A	B
Crash Stopping	B	B	A	A
Acceleration	A	A	B	B
Break down of Forward Unit	A	B	B	A
Directional Stability	A	A	C	C
Turning Radius	C	B	A	B

    3.  Persamaan Matematika

            Dalam menganalisis maneuver kapal melalui simulasi komputer, pemodelan matematika adalah penting untuk dikembangkan. Pada penelitian ini model matematika dikembangkan berdasarkan persamaan gerak kapal (3 derajat kebebasan), yaitu gerak surge, sway, dan yaw.

Menurut Ogawa dan Kansai (1987), persamaan matematika untuk analisis maneuver melalui simulasi komputer dikembangkan berdasarkan konsep MMG (Mathematical Modelling Group), persamaan matematika tersebut meliputi pengujian persamaan terpisah komponen lambung, propeller, dan kemudi serta komponen interaksi antara ketiganya (lambung-propeller-kemudi).

                        METODOLOGI

1.  Lokasi dan Waktu Penelitian.

            Adapun tempat dan waktu penelitian dilakukan sebagai berikut :

1.      Lokasi Penelitian

Penelitian dilakukan pada kapal KMP. SULTAN MURHUM yang beberapa waktu yang lalu direparasi di PT. IKI Makassar.

2.      Waktu Penelitian

Penelitian dilaksanakan ± 1 bulan.

       2.  Jenis Data dan Teknik Pengambilan Data

1.   Jenis Data dan Sumber Data

Jenis data yang diperoleh dapat dibagi dalam dua kategori, yaitu :

a.       Data primer / langsung, yaitu data yang diperoleh melalui hasil wawancara / interview dengan orang-orang yang berperan dalam pengolahan objek penelitian.

b.      Data sekunder / tidak langsung, yaitu data yang diperoleh melalui bahan-bahan tertulis dari sumber data, atau informasi lainnya yang erat kaitannya dengan penelitian.

2.  Teknik Pengolahan Data

Teknik pengambilan  data yang dilakukan,yaitu :

a.       Studi Literatur

Mengutip beberapa tulisan, artikel, atau beberapa literatur lainnya yang dikeluarkan oleh instansi atau individu yang terkait dengan penelitian ini.

b.      Simulasi

Penelitian dilakukan dengan melakukan simulasi perhitungan dan gerak kapal menggunakan Matlab untuk mengetahui analisa kemampuan maneuver kapal yang diteliti.