## B SERIES ENGINE PROPELLER MATCHING
Studi Kasus Kapal Kontainer 100 TEUs

## Nurhadi dan Sumarsono
Balai Teknologi Hidrodinamika, BPPT E-mail: nrhadi@gmail.com

## ABSTRACT
The alignment of the propulsion system on the vessel will greatly affect the magnitude of the resulting effectiveness to the speed of the vessel. To get a good system required a synchronization between the performance of propellers with the ship propulsion engine. Alignment that  commonly known as  engine propeller matching is  done by  finding the intersection  between  propeller  characteristic  graph  with  Thrust  load  coefficient  at  the operational point. The engine is adjusted as needed and can be optimally utilized based on the needs and characteristics of propeller.
This paper will present propeller matching engines of propeller type B-Series 4-65 used on 100 TEUs Container Ships. Based on the load calculation results obtained propeller efficiency at 12 knots speed is only 0.43 far from the maximum efficiency that can be obtained.  By  using  CAT  3516B  engine  type  maximum  speed  100%  MCR  that  can  be reached is 12 knots in rough hull condition.
Keywords: B-series, propeller, engine matching, container ships

## 1. PENDAHULUAN
Pengembangkan rancang bangun Kapal Kontainer 100 TEUs dalam rangka mendukung program  pemerintah  di  bidang  maritim  khususnya  Tol  Laut  telah  dilakukan  beberapa tahun  belakangan.  Kapal  kontainer  yang  difungsikan  sebagai  armada  penghubung khususnya  pada  daerah-daerah  terpencil  tersebut  dirancang  mampu  mengangkut  100 TEUs  kontainer  berukuran  20  feet,  dengan  ukuran  panjang  keseluruhan  79,45  meter,
lebar 17,40 m, draft 3 m  dan kedalaman 4,5 m.  Kapal  yang dikembangkan diharapkan mampu beroperasi pada kecepatan maksimum 12 knots.
Pada tahapan desain beberapa metode pengujian model diperlukan untuk memverifikasi hasil  perhitungan  desain  kapal  antara  lain  uji resistance ,  untuk  menentukan  berapa resistance kapal guna menentukan besaran mesin penggerak yang dibutuhkan, uji open water untuk  mengetahui  karakteristik  desain propeller ,  uji self    propulsion untuk mengetahui karakteristik dan pengaruh bentuk lambung kapal terhadap kinerja propeller [1].
Selain  tahapan-tahapan  uji  model  hal  yang  tak  kalah  penting  dilaksanakan  adalah melakukan matching point antara propeller yang digunakan dan mesin kapal yang telah dipilih [2], sehingga akan diketahui  titik-titik  operasional dan beban  yang optimal dari mesin  kapal  yang  dipasang  pada  kapal  kontainer  100  TEUs.  Dengan  adanya  grafik engine propeller  matching akan  memudahkan  dalam  operasional  berdasarkan load engine dan kecepatan kapal yang diinginkan.
Berdasarkan  permasalahan  yang  dikemukakan  sebelumnya,  akan  dikaji  dan  dianilisis penggunaan  propeller  B-Series  type  B4-65  pada  kapal  kontainer  100  TEUs  dengan melakukan matching point dengan  mesin  kapal,  sehingga  diketahui  dan  didapatkan grafik matching  point antara  beban,  kecepatan  dan  putaran  mesin  yang  digunakan. Untuk metode,pemilihan  serta penentuan type propeller B-series  yang digunakan pada kapal kontainer tidak dibahas dalam makalah ini.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Saat  beroperasi,  suatu  kapal  setidaknya  harus  memiliki  kemampuan  untuk mempertahankan kecepatan dinas (Vs) seperti yang sudah direncanakan sejak awal. Hal ini berarti bahwa, kapal yang beroperasi dengan baik haruslah memiliki suatu rancangan sistem  penggerak  ( propulsion system )  yang  dapat  mengatasi  keseluruhan  gaya  hambat ( total resitance ) yang terjadi agar tetap dapat mempertahankan kecepatan dinas seperti yang sudah direncanakan [3].
Salah  satu  tahapan  dalam  mengevaluasi  desain  kapal  adalah  EPM  (Engine Propeller Matching ). Matching point merupakan suatu titik operasi dari putaran motor penggerak kapal ( engine speed ) sedemikian hingga tepat ( match ) dengan karakter beban propeller , yaitu  titik  operasi  putaran  motor  dimana  tenaga  yang  diserap  oleh propeller sama dengan  tenaga  yang  dihasilkan  oleh engine dan  menghasilkan  kecepatan  kapal  yang mendekati/sama dengan kecepatan servis kapal yang direncanakan.
Secara umum kapal  yang bergerak di  media  air  dengan kecepatan tertentu, maka akan mengalami  gaya  hambat  ( resistance )  yang  berlawanan  dengan  arah  gerak  kapal tersebut.  Besarnya  gaya  hambat  yang  terjadi  harus  mampu  diatasi  oleh  gaya  dorong kapal  ( thrust )  yang  dihasilkan  dari  kerja  alat  gerak  kapal  ( propulsor ).  Daya  yang disalurkan  ( Delivered  Power/PD )  ke  alat  gerak  kapal  adalah  berasal  dari  Daya  Poros ( Shaft  Power  /  PS ),  sedangkan  Daya  Poros  sendiri  bersumber  dari  Daya  Rem  ( Brake Power / PB ) yang merupakan daya luaran motor penggerak kapal [4].
Karakteristik Propeller pada Open Water
Gaya  dan  momen  yang  dihasilkan  oleh propeller dapat  digambarkan  dalam  bentuk besaran  pokok,  yang  disajikan  dalam  serangkaian  karakteristik  tak  bersatuan (nondimensional). Karakteristik  ini  digunakan  untuk  menggambarkan  secara  umum performa dari suatu propeller [5].
Karakteristik tersebut adalah :
Thrust Coefficient :
Torque Coefficient :
Coefficient Advance :

## J
Cavitation number :
dimana:
D = Diameter propeller
K T = Koefisien trust
K Q = Koefisien torque
J = Koefisien advance
V a = Kecepatan advance aliran fluida
n = Kecepatan putar propeller
ρ = Massa jenis fluida
P 0 – e = Tekanan statis fluida di daun propeller
Interaksi Lambung Kapal dengan Propeller
Interaksi  lambung  kapal  dan propeller ( Hull  &  Propeller  Interaction )  merupakan upaya-upaya  pendekatan diatas  kertas untuk  mendapatkan  karakteristik  kinerja propeller saat beroperasi untuk kondisi di belakang kapal (behind the ship) [6]. Metode perhitungan digunakan dengan rumusan berikut:
Dari sisi tahanan kapal, diketahui bahwa:
R T = 0.5  C T S V S 2 dengan  α = 0.5  C T S
Bahwa gaya dorong kapal dapat dihitung dengan rumus:
; dengan  w = 1 – (Va/Vs)
Maka :
;
Dari rumusan diatas dapat dihitung nilai α = Vs 2 /RTs dan nilai
dimana:
Tship = gaya yang dibutukan kapal
Tprop   = gaya yang dihasilkan propeller
KT       = Koefisien trust
t           = Trust deduction factor w = Wake factor
α = 0.5 .  . C T . S
C T = Total resistance coefficient
S = Ship wetted surface area n = Kecepatan putar propeller

## 3. METODOLOGI
Dalam  penelitian  ini  akan  digunakan  analisis  data  berdasarkan  hasil  pengujian  model yang  didapatkan.  Dari  data  tersebut  akan  dicari  persamaan engine yang  sesuai  dengan kebutuhan  untuk  dilakukan matching dengan  data  perhitungan  hasil  pengujian.  Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dalam diagram berikut ini:
Start Perumusan Masalah Studi Literatur Pengumpulan data data utama kapal, data hasil uji,data desain Kesimpulan End

## Perhitungan dan analisa:
 Resistance dan PE  Perhitungan Th dan Q serta grafik KT-J pada diagram open water
 Pembuatan grafik engine
matching point
Gambar 1. Diagram alur metodologi pengujian

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam  suatu  desain  kapal,  dalam  menentukan  perkiraan  kebutuhan  mesin  penggerak adalah  dengan  mengetahui  prediksi  besarnya  nilai resistance dari  kapal  [7].  Nilai tersebut  dapat  diperoleh  baik  melalui  pendekatan  numerik  maupun  uji  model  kapal  di kolam  uji  [8].  Berdasarkan  hasil  uji resistance model  kapal  kontainer  100  TEUs dididapatkan nilai resistnace sebagaimana tertera pada tabel 1.
Tabel 1. Nilai resistance kapal dan prediksi PE
VS VM FN RS PE knots m/s kN KW 10 1.071 0.195 76 391 11 1.178 0.214 98 556 12 1.285 0.234 140 863
Untuk diagram open water dari propeller type B-series dapat dilihat pada diagram Open water B-series Waginangen [9] maupun juga bisa didapatkan dari uji open water model propeller yang  digunakan.  Gambar  1,  adalah  grafik  hasil  running software dari open water B4-65 yang akan digunakan dalam perhitungan [10].
Gambar 1. Grafik uji open water B4-65
Dengan  data resistance dan open  water langkah  selanjutnya  adalah  menghitung  nilai KT-J dari beban propeller kapal untuk diplotkan pada grafik open water . 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 J K T − 10 K Q Diagram Open Water B4−65 KT Effisiensi 10 KQ
Untuk masing-masing kecepatan dilakukan perhitungan nilai α , β dengan rumus-rumus yang ada sehingga didapatkan hasil sesuai tabel 2.
Tabel 2. Hasil Perhitungan Alpha, Beta tiap Kecepatan
VS RS RTs /2 w t 1-t 1-w α knots kN kN Rts/Vs^2  Clean  Sm-15% 10 76 38 0.205 0.252  0.748 0.795 1427.29 1.151 1.323 11 98 49 0.2005  0.271  0.729  0.7995  1521.863  1.245 1.431 12 140 70 0.195 0.343  0.657 0.805  1818.587  1.628 1.872
Nilai  RTs  pada  tabel  2  dibagi  dengan  2,  dikarenan  kapal  berjenis twin  screw (dua propeller penggerak),  sehingga  untuk  perhitungan  satu propeller maka  beban  total resistance dari kapal dibagi rata menjadi dua.
Dengan  memfariasikan  nilai  J  dari  0  -    0.75  maka  akan  dapat  dihitung  diagram  KT-J pada kondisi clean hull dan kondisi sea margin 15% kita dapatkan hasil sesuai tabel 3.
Tabel 3. Hasil perhitungan KT kondisi Clean Hull dan Sea Margin pada beberapa kecepatan
No J KT Clean Hull KT Sea Margin 15% 10 knots  11 knots  12 knots  10 knots  11 knots  12 knots 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0.05 0.003 0.003 0.004 0.003 0.004 0.005 2 0.10 0.012 0.012 0.016 0.013 0.014 0.019 3 0.15 0.026 0.028 0.037 0.030 0.032 0.042 4 0.20 0.046 0.050 0.065 0.053 0.057 0.075 5 0.25 0.072 0.078 0.102 0.083 0.089 0.117 6 0.30 0.104 0.112 0.147 0.119 0.129 0.168 7 0.35 0.141 0.152 0.199 0.162 0.175 0.229 8 0.40 0.184 0.199 0.260 0.212 0.229 0.300 9 0.45 0.233 0.252 0.330 0.268 0.290 0.379 10 0.50 0.288 0.311 0.407 0.331 0.358 0.468 11 0.55 0.348 0.377 0.492 0.400 0.433 0.566 12 0.60 0.414 0.448 0.586 0.476 0.515 0.674 13 0.65 0.486 0.526 0.688 0.559 0.605 0.791 14 0.70 0.564 0.610 0.798 0.648 0.701 0.917 15 0.75 0.647 0.700 0.916 0.744 0.805 1.053
Hasil plotting antara beban propeller pada beberapa kecepatan pada diagram open water propeller dapat dilihat pada gambar 2 berupa grafik KT-J.
Gambar 2. Grafik KT- J beban propeller kondisi sea margin
Pembacaan  beban propeller pada  gambar  2.  Grafik  KT-J  pada  kondisi sea  margin adalah:
 Pada  kecepatan  12  knots  dari  grafik  KT-J  dan open  water diketahui  bahwa  pada perpotongan  garis  KT-J  dengan  grafik open  water adalah    berpotongan  dengan garis  KT  pada  nilai  J  =  0.32  dimana  nilai  KT  adalah  0.195  dan  nilai  10KQ  pada nilai 0. 23
 Nilai tersebut selanjutnya dicari juga untuk kecepatan 11 dan 12 knots.
 Dengan  mengetahui  nilai  J  maka  dapat  dihitung  berapa  putaran  optimum  dari propeller dimana  :
atau
Dengan  Va    =  Vs  *  (1-w)  dan  D  diameter  dari propeller ,  maka  nilai  Q propeller dihitung dengan rumus :

## Perhitungan  DHP dan  BHP
Didalam  mengembangkan  karakteristik  beban propeller ,  variabel  yang  terlibat  adalah propeller torque  dan propeller speed.  Untuk propeller torque  merupakan  hasil pengolahan  secara  grafis  dari hull & propeller interaction .  Sedangkan  Perhitungan Daya yang dibutuhkan dihitung dengan rumus P = 2. π.Q. n
Hasil  Perhitungan  dari  rumusan-rumusan  di  atas  maka  untuk  tiap-tiap  kecepatan  pada kondisi clean hull pada tabel 4 dan kondisi sea margin pada tabel 5.
Tabel 4. Hasil Perhitungan putaran propeller , DHP dan BHP pada variasi kecepatan
kondisi clean hull Speed Kt Margin Va n-prop Q- clean hull DHP- clean hull BkW- clean hull BHP- clean hull Knots m/s J KT 10KQ m/s rps rpm kN kW kW HP 10.0 5.14 0.383 0.168  0.208  4.090  5.79 347 15.27 554.9 584 782 11.0 5.66 0.372 0.172  0.212  4.524  6.59 396 20.19 835.6 879 1178 12.0 6.17 0.338 0.188  0.261  4.969  7.97 478 36.32  1817.6 1912 2562
Tabel 5. Hasil Perhitungan putaran propeller , DHP dan BHP pada variasi kecepatan kondisi sea margin Speed Kt Margin Va n-prop Q-Sea margin DHP- Sea nargin BkW- Sea margin BHP- Sea margin Knots m/s J KT 10KQ m/s rps rpm kN kW kW HP 10.0 5.14 0.365 0.178  0.216  4.090 6.1 364 17.46 665.8 700 939 11.0 5.66 0.353 0.18 0.22 4.524 6.9 417 23.26 1014.9 1068 1431 12.0 6.17 0.32 0.195 0.23 4.969 8.4 505 35.71 1887.5 1986 2661

## Engine Propeller Matching
Berdasarkan  data  yang  ada,  pada  kecepatan  12  knots sea  margin akan  membutuhkan daya  sebesar  1986  BkW  atau  sebesar  2661  BHP.  Data  mesin  pada  perhitungan  ini digunakan  Caterpillar  C3516B  yang  mampu  menghasilkan  daya  sampai  2000  BkW pada  1925  Rpm  [11]  sehingga  digunakan  gear  box  dengan  ratio  3.82:  1.  Berdasarkan
hasil perhitungan  yang  ada dibuatkan plot antara gafik engine dengan beban propeller untuk melihat karakterisitik engine jika dibebani sebagaimana terlihat dalam gambar 4. Pada  gambar  4  ditunjukkan  kebutuhan  daya propeller load masih  dibawah  kapasitas maksimum yang dihasilkan engine dan berhimpit dengan propeller demand.
Gambar 4. Grafik engine matching CAT 3516B dengan propeller load pada kondisi sea margin
Gambar 5. Grafik engine matching CAT 3516B dengan kecepatan kapal pada kondisi sea margin
Selain  itu,  dibuat  pula  hubungan  antara  RPM,  daya  dan  kecepatan  sebagaimana ditampilkan  dalam  gambar  no  5,  dimana  pada  kecepatan  tertentu  dapat  diketahui kebutuhan daya dan rpm engine. Pada gambar 5 dapat dilihat bahwa pada kecepatan 11 knots  dibutuhkan rpm mesin sekitar 1600 rpm dan daya mesin yang dibutuhkan adalah 1200 kW dari 1600 kW yang mampu dihasilkan engine .

## 5. KESIMPULAN
Dari  pembahasan  dan  perhitungan Engine - Propeller Matching pada  kapal  100  TEUs dapat ditarik suatu kesimpulan bahwa:
1. Dengan desain untuk 12 knots dibutuhkan Rpm propeller 506 rpm pada kondisi sea margin dengan daya sebesar 1986 BkW.
2. Effisiensi propeller pada kecepatan 12 knots tersebut pada J = 0.32 hanya sebesar 0.43  jauh  dari  effisiensi  maksimum  yang  mungkin  didapat  dan  akan  berakibat kebutuhan  daya engine yang  besar  untuk  mencapai  kecepatan  tersebut,  sehingga perlu dipertimbangkan pemakaian propeller B4-65 pada kapal kontainer 100 TEUs.
3. Dari hasil perhitungan dengan engine CAT 3516B untuk digunakan pada kecepatan 12 knots sea margin masih dapat terpenuhi karena masih dibawah daya maksimum yang mungkin dihasilkan engine .
4. Dalam setiap desain kapal engine – propeller matching sangat penting diperhatikan untuk melihat hubungan desain propeller , load , dan engine yang digunakan terkait kecepatan dan tentunya nilai ekonomis dari engine yang akan digunakan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] ITTC  (2002)  ‘Testing  and  Extrapolation  Methods  Propulsion,  Propulsor  Open Water Test’, (Revision 01), p. 7.5-02-03-02.1.
[2] Setyo  L  (2015)  ‘Sinkronisasi  Propeller  Dengan  Mesin  Induk  Pada  Kapal  Ikan Untuk Meningkatkan Efisiensi dan Kinerja’ Wave , Vol. 9 (No 02), pp. 19–24.
[3] Habibi  and  Nurhadi  (2016)  ‘Analisa  Pemilihan  Propeller  Tipe  B-  Series  Pada Kapal Feri Ro-Ro 600 Gt Dengan Menggunakan Aplikasi Matchpro’, Wave , Vol. 10 (No 02), pp. 75–81.
[4] Abidin, M. Z., Adji, S. W. and Arief, I. S. (2012) ‘Analisa Performance Propeller B-Series  dengan  Pendekatan  Structure  dan  Unstructure  Meshing’, Jurnal  Teknik ITS , 1(1), pp. 241–246.
[5] Kristensen, H. O. and Lützen, M. (2012) ‘Prediction of resistance and propulsion power of ships’, Project no. 2010-56, Report 4 - Resistance and Propulsion Power - FINAL - October  2012.pdf.
[6] Carlton,  J.  (2012) Marine  Propellers  and  Propulsion ,  second  edition,  Elsevier, Oxford.
[7] Ventura, M. (2010) ‘Estimation Methods for Basic Ship Design’, 202.114.89.60 , pp. 1–61.
[8] Specialist  Committee  of  23rd  ITTC  (2002)  ‘Testing  and  Extrapolation  Methods Resistance Uncertainty Analysis, Example for Resistance Test’, (Revision 01), p. 7.5-02-02-02 page1-18.
[9] Bernitsas, M. M., Kinley, P. and Ray, D. (1981) ‘ KT, KQ and Efficiency Curves for The Wageningen B-Series Propellers ’, Michigan.
[10] Journée, J. M. J. (2000) ‘ Program Propol’ . Wageningen.
[11] http://www.bmgs.com.tr/doc/GucSistemleri/Marin/Marine- Engines/3516B/3516B-2000-BKW-1925-RPM-SPEC.pdf  diunduh  pada  Oktober 2017.
Halaman ini sengaja dikosongkan