eISSN: 2721-5717; pISSN: 2747-2124

## ZONA LAUT

## JURNAL INOVASI SAINS DAN TEKNOLOGI KELAUTAN

## KAJIAN TEKNIS PROPELLER TIPE B - SERIES DAN KAPLAN DENGAN VARIASI SUDUT RAKE PADA KAPAL OFFSHORE SUPPLY VESSEL 80
(OSV 80)
Muhammad Alif Ridha Hermawan, *Arif Winarno Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknik dan Ilmu Kelautan, Universitas Hang Tuah *arif.winarno@hangtuah.ac.id

## Abstrak
Propeller adalah  salah  satu  bagian  kapal  yang  digerakkan  oleh  mesin,  yang  mempunyai  fungsi  untuk mendapatkan gaya dorong bagi laju kapal sehingga propeller harus mampu menahan gaya-gaya yang bekerja pada blade akibat beban hidrodinamik. Propeller dibedakan menjadi dua jenis salah satunya yaitu Fixed Pitch Propeller (FPP). Kecepatan pada kapal tidak terlepas dari desain propeller yang baik agar mendapatkan gaya dorong ( thrust ) optimal yang dihasilkan oleh gerak propeller . Penelitian ini dilakukan karena sering terjadinya losses dan terjadi retakan pada daun propller . Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui nilai thrust optimum propeller dari  analisa  model  variasi  sudut rake yang  dibuat  sehingga  dapat  diketahui  dari  variasi model tersebut manakah yang memiliki nilai thrust dan torque tertinggi serta untuk mengetahui perbandingan nilai thrust yang  dihasilkan  dari  variasi  model  B- Series dan  Kaplan.  Metode  penelitian  ini  menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD). Hipotesa dari studi simulasi variasi yang sudut berpengaruh pada nilai daya dorong kapal serta, nilai perbandingan thrust dan pola aliran serta kontur tersebut di dapatkan dari model dengan parameter analisis dimensi dan putaran yang sama dan mendapatkan nilai efisiensi tertinggi diperoleh pada model propeller B- Series dan Kaplan dengan variasi sudut rake yang maksimum.
Kata Kunci: efisiensi, propeller , thrust, B- Series , Kaplan.

## Abstract
The propeller is one part of the ship that is driven by the engine, which has the function of obtaining thrust for the speed of the ship so that the propeller must be able to  withstand the forces acting on the blade due to hydrodynamic loads. Propellers  are  divided  into  two  types,  one  of  which  is  the  Fixed  Pitch  Propeller  (FPP).  The  speed  on  the  ship  is inseparable from a good propeller design in order to get optimal thrust generated by the propeller motion. This research was conducted because of the frequent occurrence of losses and cracks in the propeller leaves. The purpose of this study is to determine the optimum propeller thrust value from the analysis of the rake angle variation model made so that it can be seen which model variation has the highest thrust and torque values  and to determine the comparison of the thrust values  resulting  from  the  B-Series  and  Kaplan  model  variations.  This  research  method  uses  Computational  Fluid Dynamic (CFD) simulations. The hypothesis from the variation simulation study that the angle influences the thrust value of the ship as well as the thrust comparison value and the flow pattern and contours is obtained from the model with the same  dimensional  and  rotation  analysis  parameters  and  the  highest  efficiency  value  is  obtained  on  the  B-Series  and Kaplan propeller models. with maximum rake angle variation.
Keyword: efficiency , propeller , thrust , B- Series , Kaplan.
-

## 1. PENDAHULAN
Dalam memenuhi kinerja pada suatu kapal maka dibutuhkan energi/daya yang sangat efisien dan relatif mudah untuk digunakan, Propeller adalah salah satu bagian mesin yang berfungsi sebagai alat penggerak mekanik, misalnya pada pesawat terbang, kapal laut, hovercraft dan lain-lain. Tujuan pengaturan rake propeller untuk mendapatkan gaya dorong ( thrust ) yang besarnya bervariasi dari minimum hingga maksimum pada kecepatan putar poros propeller konstan [1][8].
Untuk mendukung kinerja oprasional pada suatu kapal maka dilakukan penelitian mengenai alat gerak kapal yaitu propeller supaya didapatkan hasil yang maksimal dalam proses oprasional atau efisiensi saat berlayar [6]. Maka dari itu perlu dilakukan analisa dan pengamatan terhadap penelitian sebelumnya dengan tema yang sama dengan penelitian kali ini. Penelitian ini yaitu mengenai analisa daya dorong ( thurst ) pada kapal offshore . Simulasi dan analisa mengenai setiap perbandingan pada variasi jumlah sudut pada jenis propeller B- Series dan Kaplan, diharapkan penelitian ini mendapat hasil yang maksimal pada simulasi. Pembuatan model dan simulasi menggunakan aplikasi Rhinoceros 5.0. dan Computational Fluid Dynamic (CFD). [2] Namun setelah mengamati penelitian sebelumnya, sudah ada yang membahas terkait analisa nilai thrust pada kapal offshore dengan variasikan  sudut propeller dengan  membandingkan  tipe B- Series dan  Kaplan, tetapi perlu  dikaji  ulang  karena  dilapangan  sering  terjadi  permasalahan  seperti  terjadinya losses sehingga  kapal kurang optimal dalam kinerjanya dan terjadinya retakan pada daun propeller serta adanya perbedaan objek penelitian pada kapal sebelumnya dan menggunakan metode simulasi dengan software Computational Fluid Dynamic (CFD).

## 2. METODE
Metode yang digunakan untuk menggerjakan untuk membuat desain propeller menggunakan Rhinoceros atau Rhino 3D adalah software komputer  grafis  3D, setelah  proses  pembuatan model  selesai  selanjutnya  adalah proses  membuat  model  sudut rake yang  dihasilkan  dari  setiap  variasi propeller selanjutnya  Setelah  proses pembuatan model selesai selanjutnya  adalah  proses  pengujian  pada  variasi  sudut rake yang dihasilkan  dari setiap variasi propeller pada CFD . Pengujian model ini bertujuan untuk mengetahui variasi daya dorong kapal dan  bentuk  aliran  fluida  akibat  pergerakan propeller kapal  tipe propeller B- Series dan  Kaplan.  Pengujian dilakukan  dalam  satu  kondisi  yaitu  pada  kapal  dengan  kecepatan  dinas  13  knot  atau  kecepatan  standart operasional kapal.

## 2.1. Data Kapal dan Pembuatan Model Propeller
Data  kapal  digunakan  acuan  sebagai  hitungan  pada  nilai  gaya  dorong  ( thurst )  serta  sebagai  hasil  validasi hitungan  manual.  Sedangkan  perencanaan  variasi  sudut rake pada propeller kapal  yang  dilakukan  dalam pengerjaan tugas akhir ini adalah membuat  design blade dari propeller yang dipilih untuk  diterapkan  pada propeller kapal AHT yaitu B- Series dan Kaplan, dengan menggunakan metode desain dari buku merancang propeller serta pengambilan data secara langsung. Termasuk menggambar rake pada blade propeller .

## 2.1.1. Data Kapal AHT
Pekerjaan kapal AHT meliputi menunjang pengeboran minyak di laut, menunjang operasional anjungan lepas pantai,  dan  pekerjaan  sejenis  lainnya,  maka  penulis  melakukan  pengambilan  data.  Hasil  pengambilan  data yang sudah dilakukan sebelumnya maka didapatkan data kapal pada Tabel 1 seperti berikut :

## Tabel 1. Dimensi Kapal AHT
No. Dimensi Kapal 1. LOA 40 M 2. LWL 38 M 3. LBP 36,8 M 4. BMLD 11,4 M 5. DMLD 4,95 M

## 2.1.2. Data Propeller
Dari  hasil  pengambilan  data  yang  sudah  dilakukan  sebelumnya  maka  dapat  dilanjutkan  ke  dalam tahap  pembuatan  model propeller kapal  desain  menggunakan autocad 2  dimensi  terlebih  dahulu seperti yang tercantum pada Tabel 2. Secara keseluruhan mulai dari expanded blade, pitch diagram, develop and project outline, dan side view. Pada model ini ditambahkan variasi pada tipe propeller B- Series dan Kaplan yaitu dengan sudut kemiringan 5 ° , 10 ° , dan 15 ° .
Tabel 2. Dimensi Propeller B- Series No. Dimensi Propeller 1. Tipe B4-40 Ka-40 2. Putaran 300 rpm 300 rpm 3. Efisiensi 0,56 0,56 4. Diameter 2,4 m 2,4 m 5. Pitch 0,63 0,65

## 2.1.3. Pembuatan Model Propeller
Pada pembuatan model propeller kapal dilakukan penambahan variasi model yaitu pemodelan sudut rake 5 ° ,  10 ° ,  dan  15 ° yang  akan  diaplikasikan  pada  tipe  B- Series dan  Kaplan,  maka  dibutuhkan gambaran secara umum yang akurat, serta data yang sudah diperoleh akan digunakan sebagai acuan dalam proses pengerjaan pada penelitian ini seperti yang ditunjukan pada penjelasan pada Gambar 1 dan Gambar 2 dibawah :

## Tabel 3. Variasi Model Propeller
No Tipe Propeller Variasi Model Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5 Model 6 1. B-Series Rake 5 ° Rake 10 ° Rake 15 ° - - - 2. Kaplan - - - Rake 5 ° Rake 10 ° Rake 15 °
Gambar  1. Model propeller tipe B-series
No. Dimensi Kapal 6. Draft 4 M 7. Vd 13 Knot

## 2.2. Rhinoceros
Pada  penelitian  kali  ini rhinoceros akan  digunakan  untuk  membuat  desain propeller yang  akan  dilakukan pengujian daya dorong pada kapal. Pada Rhino 3D akan membuat desain sesuai dengan pemodelan dengan variasi sudut kemiringan ditunjukan pada Gambar 3.
Gambar  3. Proses desain rhino 3D

## 2.3. Computational fluid dynamic (CFD)
Computational  fluid  dynamic (CFD)  merupakan  salah  satu  dari  mekanika  fluida  alat  yang  menggunakan metode  numerik  dan  algoritma  untuk  menyelesaikan  dan  menganalisa  permasalahan  yang  berhubungan dengan  aliran  fluida.  Tujuan  dari  CFD  yakni  untuk  memprediksi  secara  akurat  tentang  aliran  fluida, perpindahan panas, dan reaksi kimia dalam sistem yang kompleks yang melibatkan satu atau semua fenomena dengan  keadaan  suatu  kondisi  tertentu  [7].  CFD  tidak  dapat  sepenuhnya  menggantikan  pengukuran  secara eksperimen, tetapi jumlah dan biaya eksperimen yang dilakukan dapat diperkecil atau hemat biaya menurut [3]
Pada proses analisa simulasi model satu yaitu propeller kapal tipe B- Series dan Kaplan dengan variasi sudut rake 5 o ,  10 o ,  dan  15 o menggunakan software CFD  ( fluent )  melalui  proses  dan  tahapan  seperti geometry , meshing , setup , dan result dapat diuraikan sebagai berikut :

## 2.3.1. Geometry
Pada proses geometri merupakan proses import model propeller kapal yang sebelumnya dibuat pada software lain kemudian diubah kedalam software ansys . Penentuan dimensi kolam harus tepat Setelah model diimpor kemudian  dilanjutkan dengan  pembuatan  boundary  building sebagai  media  analisis  CFD  dengan  ketentuan dimensi boundary building berdasarkan diameter propeller , jika dimensi kolam terlalu sempit maka pengaruh aliran tidak dapat terbaca dengan maksimal seperti Gambar 4. [4]. Pembuatan kolam simulasi pada open water test juga menggunakan standart dari ketentuan International Towing Tank Conference ( ITTC). [5]
Gambar 4. Ilustrasi proses geometri pembuatan kolam untuk simulasi propeller

## 2.3.2. Meshing
Proses mesh merupakan pengaturan elemen-elemen kecil untuk mengetahui karakter suatu bentuk kapal yang akan  dianalisis.  Pada  tahap mesh menggunakan  pengaturan meshing CFD fluent serta  pada  proses  ini  juga mengatur  kondisi  batas  seperti inlet,  outlet,  wall,  propeller. Untuk  kondisi inlet didefinisikan  sebagai  arah masuk aliran fluida menuju propeller , kemudian untuk kondisi outlet didefinisikan sebagai arah keluar aliran fluida setelah kontak langsung dengan propeller . Pada kondisi wall merupakan batas kolam bagian top dan bottom , selanjutnya kondisi propeller merupakan penggerak dari kapal yang akan diuji seperti Gambar 5.
Gambar  5. Geometry condition

## 2.3.3. Setup
Pada proses setup merupakan salah satu tahapan yang harus dilalui dalam sebuah simulasi CFD. Dimana pada proses setup merupakan pengaturan terhadap parameter yang mencakup keberhasilan dalam simulasi, proses setup menggatur setiap komponen yang akan dijadikan sebagai acuan hitung algoritma pada CFD seperti pada Gambar 6.
Gambar 6. Proses set up propeller
Pada proses pengaturan parameter setup untuk p ropeller yang akan disimulasikan dengan variasi sudut rake 5 o , 10 o , dan 15 o melalui tahapan seperti yang ditunjukan Tabel 1. sebagai berikut:
Tabel 4. Set up propeller sebelum melakukan proses kalkulasi pada CFD Set up Processing option parallel Time Transient Model Viscous Reynolds stress (7 eqn) Cell zone conditions Fluid Rotating zone Rotational velocity 300 rpm (31 rad/s) Rotation-Axis direction X : 0, Y : 1, Z : 0 Boundary conditions Inlet, velocity magnitude 13 knot (6.9 m/s) Initialization standart initialization,
Set up Compute from inlet Run calculation Timescale factor 0.5 Number of iteration 100 Number of time step 10

## 2.3.4. Result
Result merupakan tahap akhir setelah proses calculation telah dilakukan dan didapatkan hasil visual dari model yang sedang diteliti. Pada hasil simulasi yang telah dilakukan berupa distribusi tekanan oleh aliran fliuda. Hasil simulasi propeller B- Series dan Kaplan dengan variasi sudut rake 5 o , 10 o , dan 15 o terdapat beberapa model propeller dengan aliran turbulen tinggi dan tekanan pada area ducting propeller cukup tinggi ditandai warna pada aliran dengan warna merah atau kuning seperti ditunjukan pada Gambar 7 dibawah ini.
Gambar 7. Hasil dari model 1
Gambar 8. Hasil dari model 2
Gambar 9. Hasil dari model 3
Gambar  10. Hasil dari model 4
Gambar  11. Hasil dari model 5
Gambar  12. Hasil dari model 6

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Hasil simulasi
Pada hasil simulasi menggunakan CFD  ( fluent ) propeller dengan sudut variasi sudut rake didapatkan hasil gaya dorong ( thrust ) yang bervaiasi, serta aliran fluida rata-rata mengalami laminar sebelum masuk ke duct propeller tetapi setelah masuk melalui duct propeller aliran fliuda menjadi turbulen yang sangat tinggi karena tekanan  pada propeller yang  berputar  dengan  RPM  yang  tinggi  setelah  itu  beralih  aliran  transisi  ke  aliran laminar yang cukup stabil. Dengan ditunjukan dengan Tabel 5.
Tabel 5. Hasil simulasi menggunakan CFD
No. Variasi Hitungan thrust simulasi 1. Model 1 310,22 kN 2. Model 2 309,61 kN 3. Model 3 354,11 kN
No. Variasi Hitungan thrust simulasi 4. Model 4 402,46 kN 5. Model 5 391,10 kN 6. Model 6 381,26 kN

## 3.2. Hasil hitung manual
Setelah  melakukan  simulasi  pada software  ansys maka  didapatkan  hasil  hitungan  automatis  yang menggunakan  algoritma  dari  CFD  ( fluent ),  namun  perhitungan  pada software  ansys harus  divalidasi menggunakan  hitungan  manual  dengan  menggunakan  metode harvald, tahapan  yaitu  melakukan  hitungan tahanan total kapal, dan gaya dorong kapal untuk menentukan seberapa besar tahanan yang diterima kapal dan gaya dorong yang diperlukan kapal untuk melaju dengan kecepatan dinas pada suatu kapal.
• Perhitungan Froude Number ( F n )
F n = v s √g.Lwl (1)
• Perhitungan Reynold number ( R n )
R n = v s x lwl 𝑣 (2)
• Perhitungan luasan kapal yang tercelup air
•
S = 1,025 x Lwl (Cb x B + 1,7 x T)
(3)
• Perhitungan koefisien tahanan gesek ( C F )
C F = 0,075 (log R n −2 ) 2 (4)
• Perhitungan koefisien tahanan sisa ( C R )
C R = Di ambil dari diagram Lwl ∇ 1/3 (5)
• Perhitungan koefisien tahanan tambahan ( C A )
Dimana, F n adalah Angka Froude, V adalah Kecepatan kapal (m/s), g adalah Percepatan gravitasi (m/s 2 ), L adalah Panjang kapal (m), R n adalah Reynold number , Vs adalah Kecepatan kapal 13 knot adalah 6,9 m/s, Lwl adalah  Panjang  garis  air  adalah  38 m, 𝑣 adalah  Viskositas  kinematik  adalah  1,188  x  10−6 m2 /s,  S adalah luasan kapal yang tercelup air, C F adalah koefisien tahanan gesek, C R adalah koefisien tahanan sisa, C A adalah koefisien tahanan tambahan.
Tabel 6. Koefisien tahanan tambahan No. Panjang kapal (L) Koefisien tahanan tambahan (C A ) x 10 -3 1. ≤ 100 m 0,4 2. 150 m 0,2 3. 200 m 0 4. 250 m -0,2 5. ≥ 300 m -0,4

## . • Koefisien tahanan total (C T )
C T = C F + C R + C A (6)
• Perhitungan tahanan total (R T )
R T = 1 2 . ρ. C T . S. V 2 ( 7 )
Dimana R T adalah Tahanan total (kN), C R adalah Koefisien tahanan sisa, C F adalah Koefisien tahanan gesek, 𝜌 adalah Massa jenis  fluida (kg/ 𝑚 3 ), C T adalah  Koefisien  tahanan total,  S adalah  Luasan  permukaan  yang tercelup air ( m 2 ) , Vs adalah Kecepatan gerak fluida (m/s).
Dari hasil hitungan manual didapatkan tahanan total untuk mengetahui beban tahanan gerak kapal  untuk gaya dorong yang dibutuhan kapal mendapatkan hasil hitungan sebesar R T = 164,2 kN dengan variasi kecepatan dinas  13  knot.  Untuk  menentukan  perhitungan  gaya  dorong  ( thrust )  dari  setiap  model  variasi propeller menggunakan rumus yang terdapat dalam buku Sv. Aa. Harvald sebagai berikut:
T = R T 1−t (8)
T ship = αV S 2 (1−t)(1−w)
(9)
Dimana, T adalah Gaya dorong ( Thrust ) , R T adalah Tahanan total kapal, t adalah Thrust deduction factor.
Dari hasil perhitungan manual gaya dorong yang ada pada propeller didapatkan T adalah 194,8 kN, dan hasil hitung  manual  gaya  dorong  yang  dibutuhkan propeller untuk  melawan  hambatan  agar  kapal  bisa  bergerak maju  sebesar  236,1  kN.  Maka  hasil  hitngan  kebutuhan  gaya  dorong propeller harus  lebih  besar  dari  pada kebutuhan  total  gaya  dorong  pada  kapal,  sehingga  hitungan  manual  menjadi  validasi  yang  akurat  dan  bisa dibandingkan dengan hasil simulasi seperti yang ditunjukan pada Tabel 6.

## 4. KESIMPULAN
Hasil  dari  simulasi  menggunakan software CFD  ( fluent )  antara  6  model  yang  telah  diteliti,  model  4 menunjukkan hasil thrust tertinggi dengan kecepatan aliran konstan 13 knot sebesar 402.46 kN dan pada model 4 dengan tipe propeller Kaplan dengan sudut rake 5 o . Sementara itu hasil thrust terendah yaitu model 2 dengan kecepatan aliran konstan 13 knot sebesar 309.61 kN dengan tipe propeller B-Series dengan sudut rake 10 o . Setiap  model propeller dapat  melayani  kebutuhan  gaya  dorong  total  pada  kapal,  dikarenakan  nilai  hitung manual menunjukan 236,1 > dari model yang telah disimuasikan. Pada model 4 menunjukan aliran yang bagus karena sedikit mengalami turbulensi dan aliran secara cepat berubah ke aliaran laminar. Dari hasil penelitian ini rata-rata suhu pada ducting masih terbilang tidak terlalu tinggi ditandai dengan warna kuning pada aliran.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Dekan Fakultas Teknik dan Ilmu Kelautan, Kaprodi Teknik Sistem Perkapalan, dosen pembimbing Teknik Sistem Perkapalan, dan juga teman-teman atas dukungan pelaksanaan penelitian ini

## DAFTAR PUSTAKA
[1] L.  Y.  Sutadi,  S.  A.  Widyanto  and  I.  Haryanto,  "  Jurusan  Teknik  Mesin  Politeknik  Negeri  Semarang," PERANCANGAN  MEKANISME  PENGONTROL  CONTROLLABLE  PITCH  PROPELLER, pp.  12-17, 2012.
[2] D.  B.  Darmawan,  D.  Chrismianto  and  M.  Iqbal,  "Teknik  Perkapalan,  Fakultas  Teknik,  Universitas Diponegoro," ANALISA PENGARUH SUDUT KEMIRINGAN HUB PROPELLER, Vols. Vol 4, No 2, pp. 352-361, 2016.
[3] A.  P.  Wicaksono  and  A.  Winarno,  "Analisa  Pengaruh  Posisi  Wake  Equalizing  Duct  Terhadap  Gaya Dorong (Thrust) Pada Kapal Ikan Tradisional Purse Seine. [Skripsi]," Surabaya : Universitas Hang Tuah.
, 2022.
[4] B.  A.  Mahaputra,  A.  F.  Zakki  and  I.  P.  Mulyatno,  "Departemen  Teknik  Perkapalan,  Fakultas  Teknik, Universitas  Diponegoro," Analisis  Pengaruh  Konfigurasi  Perubahan  Sudut  Rake  Propeller  B5-80 Terhadap Fatigue Life pada Kapal Kontainer 3600 TEUs, Vols. Vol. 8., No. 3, pp. 301-311, 2020.
[5] I.  T.  T.  C.  ITTC,  "International  Towing  Tank.  Conference.  ITTC,"  International  Towing  Tank. Conference. ITTC, 2011. [Online]. Available: International Towing Tank. Conference. ITTC.
[6] S.  Klara,  M.  I.  Nikmatullah  and  M.  Faizal,  "“Efektivitas  Keel  Cooler  Pada  Sistem  Pendingin  Mesin Penggerak Utama Kapal”," zonalaut, Vols. Vol. 3, No. 3, pp. 10-17, 2022.
[7] A. S, R. F and S. D, "Analisis Ship Resistance Untuk Menentukan Daya Main Engine Kapal," zonalaut, Vols. Vol. 3, No.2 , pp. 19-24, 2022.
[8] W. A, C. G, I. A and W. A. S., "Experiment Study of the Resistance on Nusantara Ship Hull Modification with Fishing Boat in Pantura East Java," International Journal on Engineering Applications (IREA), pp. 11 (2),, pp. 111-120., 2023.