fin stabiliser

Permesinan Bantu – KS1506 Stabilizer

STABILIZER( PERALATAN UNTUK MENJAGA STABILITAS KAPAL )

Tujuan penggunaan : Untuk mengurangi amplitudo, rate, akselerasi, efek-efek dinamik ( deck wetness dan slamming ) dari gerakan kapal.

Cara mengurangi forced-motion :1. Meningkatkan koeffisien peredaman ( b ) : damping stabilization2. Mengurangi frekwensi natural kapal ( ) : tuning stabilization3. Mengurangi gaya dan moment yg ada : equilibrium stabilization

Gambar 1: Efek dari undamped dan damped stabilizer

ROLL STABILIZATIONDari berbagai gerak yang timbul selama kapal berlayar, hanya rolling yang paling

mudah untuk dikontrol. Beberapa macam peralatan untuk menstabilkan rolling :- Bilge keels- Gyroscopic stabilizers- Movement of weight- Rudder action- Jet Flaps- Passive and Active Roll tanks- Stabilizing Fins

1


1. Bilge keels- Paling banyak digunakan- Peralatan paling sederhana- Berupa Fins yang permanen terpasang memanjang disepanjang lengkung bilga kapal

Gambar 2: Dua tipe Bilge-keels

- Panjang bilge keels umumnya 25 sampai 50% panjang kapal- Lebarnya antara 30 cm sampai 100 cm- Efisiensi kerja bilge keels semakin tinggi dengan naiknya viscous-flow- Efektif juga untuk kondisi ombak besar- Kerugian : meningkatkan hull-resistance meskipun tidak terlalu serius pada kapal

cepat. - Efek damping dari bilge-keel meningkat dengan peningkatan kecepatan kapal,

karena meningkatnya lifting-force sehingga terjadi kenaikan tahanan-kapal yang dapat memperbesar efek dampingnya. ( Lihat gambar 3 )

Gambar 3: Variasi dari roll damping coefficient dengan kecepatan kapal

- Damping effect meningkat dengan naiknya kecepatan kapal karena lifting-force juga meningkat- Perhitungan dan design dari bilge-keels :

2


- Dengan asumsi resistan dari bilge-keels proporsional terhadap kwadrat dari kecepatan melewati air, maka gaya total dari bilge-keel sepanjang arah memanjang dinyatakan sebagai :

…………………………..………….. ( 1 )

Dimana : A : luasan dari bilge-keel r : jarak rata-rata luasan terhadap CG kapal

C : koefisien dari tekanan normal terhadap bilge-keel ( 1,1 1,7 ) ( tergantung rasio antara panjang dan lebar dari plat )

: kecepatan anguler ( ) : besarnya sudut rollingM : damping moment

- Besarnya momen dari damping-force yang dikontribusikan oleh bilge keel disekitar CG kapal adalah :

…… ( 2 )

- Jika koefisien peredaman b dinyatakan sebagai :

………………………………………. ( 3 )

- Maka peningkatan b akibat adanya bilge-keel dapat dinyatakan sebagai :

…………………………… ( 4 )

Dimana :

………………..………….. ( 5 )

- Dari persamaan 5 diatas bisa disimpulkan bahwa :- Efek peredaman akan meningkat dengan meningkatnya luasan A dan jarak r

antara bilge-keel dan sumbu rolling- Ketika bilge-keel mengurangi terjadinya rolling sebesar , bilge-keel nampak

menjadi lebih efektif pada sudut rolling yang lebih besar- Efek bilge-keels bervariasi secara merata terhadap momen inersia kapal pada

posisi disekitar axis. Bilge keel akan lebih efektif pada kapal dengan momen inersia kecil ( berat terkonsentrasi dekat centerline kapal )

- Hubungan antara ukuran kapal, ukuran bilge-keel, dan roll damping pada kecepatan nol dapat tentukan dengan persamaan empiris berikut :

3


……………………… ( 6 )

Dimana : : rasio dari aktual damping terhadap damping kritis dari sistem linearbc : critical roll damping = dari sistem linear kapalABK : luas total dari bilge keel ( ft2 )L : LWL ( ft )B : waterline beam ( ft )w : lebar dari bilge-keel ( ft ) : displacement ( tons ) : roll angle ( rad )d : jarak antara centerline pada LWL terhadap turn of bilge

- Modifikasi dari roll damping sebagai fungsi kecepatan kapal dapat dinyatakan sebagai :

……… ( 7 )

Dimana : (b/bc) : perubahan roll damping akibat kecepatan maju V (b/bc)V : damping ratio pada kecepatan kapal V Fn : Froude number ( )

CB : koefisien block

Damping coefficient dapat juga diperkirakan dari percobaan rolling dengan model atau kapal yang serupa di air tenang ( lihat gambar 4 )

Gambar 4 : Penentuan roll damping coefficient dengan roll decay test

Roll stabilisation dengan menggunakan bilge keel adalah sangat sederhana dan murah, namun hanya efektif pada daerah-daerah terjadinya resonansi.2. Passive Roll Stabilizers

Bentuk hull yang normal memiliki roll damping yang kecil. Karenanya energi yang diberikan ke kapal oleh gelombang dimanifestasikan oleh gerakan rolling sehingga energi yang dihilangkan oleh gerak rolling sama dengan yang diberikan oleh gelombang.

4


Sebuah passive roll stabilizer yang dipasang di kapal merupakan sistem dinamis yang mempunyai resonansi sendiri, yang mana tidak bisa dikatakan sama dengan resonansi kapal karena stabilizer diredam lebih tinggi. Stabilizer hanya efektif jika resonansinya mendekati sama dengan resonansi kapal. Untuk mendapatkan hubungan yang baik antara kapal dengan sistem stabilization maka pengaturan yang benar dari sistem diperlukan agar energi rolling dari kapal ditransfer secara sempurna ke stabilizer.

Ada 2 macam passive stabilization, yaitu :1. Moving weight :2. Stabilizing tank

Movement of Solid weight

Dengan memindahkan beban besar melintang sepanjang kapal, sistem resonant dicapai sehingga menghasilkan roll damping. Untuk roll-damping yang efektif, pemindahan berat seharusnya 900 dibelakang gerakan rolling kapal dalam kaitannya untuk memberikan momen yang berlawanan terhadap momen dari rolling. Metode ini efektif untuk kapal kecil.

Besarnya berat yang dipindahkan di dalam kapal diatur tidak hanya berdasarkan berkurangnya metacentric-height karena naiknya CG kapal tetapi juga akibat efektifitas dari usaha menstabilkan. Berat dari stabilizer tidak boleh lebih dari 5% displacement kapal. Efektifitas dari sistem ini ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 6: Stabilisasi dengan memindahkan berat

Gyroscopic stabilizersGyroscope terdiri dari sebuah roda berat yang bebas berputar pada sumbunya. Alat ini

dipasang didalam sebuah frame yang juga bebas berputar pada sumbu yang tegak lurus. Gyroscope berguna untuk 2 hal berikut :

5


1. Sumbu dari free-gyroscope tetap diam ditempatnya2. Gyroscope dapat dibuat untuk menyampaikan torsi yang proporsional dengan kecepatan

angular disekitar sumbu tegak lurus.

Gambar 7: Sistem Gyroscopic

Meskipun stabilizer ini sangat efektif karena mampu mengurangi rolling antara 60 80%, namun alat ini sangat mahal, sangat berat, dan memakan tempat, sehingga membuat tidak menarik untuk kapal-kapal modern.

Tank Stabilizers

Salah satu kerugian dari sistem ini adalah adanya efek saturasi dimana cairan yang teraduk di dalam tangki akan terjadi selama stabilisasi. Pengadukan akan meningkat seiring meningkatnya gerakan rolling. Ketika cairan di dalam tangki membentur ujung atas tangki akan terjadi penurunan efektifitas dari stabilisasi. Karenanya ketinggian tangki menjadi pertimbangan penting didalam merancang tangki.

Gambar 8: Passive tank stabilizer ( a. Free surface b. U-tube tank )

Passive Tank Stabilizers

Tangki anti-rolling dikatakan pasif jika mereka dibiarkan bekerja sendiri didalam kapal tanpa perlu sering disetel sesuai dengan kondisi beban. Sistem kontrol

6


yang canggih diperlukan untuk sistem anti-rolling yang aktif. Ada 2 macam sistem tangki pasif, yaitu :

1. Free surface tanks : Sistem ini terbuat dari ruang yang berisi air yang terletak dibagian atas struktur

badan kapal. Ketinggian metacentric dari kapal berkurang akibat efek permukaan bebas dari tangki, dengan pengurangan sebesar :

………………………………………. ( 8 )

Dimana : i : momen inersia dari luas permukaan bebas : volume displacement kapal : density dari cairan di tangkii : density dari air laut

Efek dari free-surface terhadap tangki stabiliser tidak bisa diabaikan, karenanya rumus yang sudah disederhanakan berikut mungkin bisa diterapkan terhadap tanki pasif tersebut :

………………………………… ( 9 )

Dimana : i/ : koreksi untuk free-surfacew : berat dari fluida di tangi : displacement kapalh : kedalaman fluida di tangkiB : beam

Contoh : jika w/ ditentukan sebesar 2% dengan kedalaman cairan di tangki 5 ft, GM loss diharapkan sebesar 0.000417B2. Dengan demikian jika beam kapal sebesar 75 ft maka GM loss sebesar 2.25 ft, ini merupakan hasil yang bisa diterima untuk tinggi aktual dari metacentric.

Akibat penurunan tinggi metacentric maka frekwensi natural dari rollling juga menurun sehingga gerakan rolling yang sinkron menjadi kurang memungkinkan, sehingga kesempatan untuk mengatasi wavelength yang lebih panjang menjadi berkurang.

Kerugian dari sistem ini adalah tidak efektif pada saat bekerja pada gelombang dengan frekwensi pendek. Juga terjadinya penurunan metacentric-height yang bisa merusak karakteristik dari kapal.

2. U-tube tanks :Ada dua tipe U-tube tanks, pertama yang mempunyai hubungan ke laut

dan kedua yang secara penuh tertutup di dalam badan kapal. Redaman dimungkinkan terjadi karena terdapat perbedaan fase sebesar 900 antara gerakan kapal dan gerakan air di dalam tangki. Dengan kata lain momen yang distabilkan oleh gerakan air didalam tangki berlawanan dengan momen eksitasi kapal.

7


Gambar 9: Frahm Tank

Salah satu model yang terkenal adalah Frahm tanks. Prinsip dari Frahm-tank adalah adanya fluktuasi dari kolom air membentuk sistem oscillatory yang mempunyai frekwensi natural dari oscillation yang tergantung pada konstruksi tangki. Frekwensi natural dari tangki dibuat sama dengan kapal. Sehingga mungkin untuk mendapatkan potongan melintang dari kolom tegak yang lebih besar dari connecting-tube yang diletakkan horizontal.

Bagaimanapun frekwensi natural dari kapal akan selalu berubah sesuai dengan kondisi muatan, sehingga untuk menyamakan frekwensi natural dipasang sebuah sistem katup udara dibagian atas tangki atau di connecting-tube.

Gambar 10: Aliran air di stabilizer tank selama terjadi gerakan rolling

Pada gambar 10 sebagaimana yang ditunjukkan oleh arah anak panah, adalah arah dari gerakan kapal selama terjadi rolling. Pada saat itu momen penstabil dihasilkan oleh berat air di tangki yang bekerja terhadap sisi kapal dan cenderung menuju keatas. Daerah A-B menunjukkan bahwa aliran air di tangki

8


adalah berada pada arah berlawanan dari posisi rolling paling ekstrem dari kapal, dengan kata lain gerakan air adalah berada pada 900 diluar fase dari gerakan kapal.

Active Roll Stabilizers

Ada dua cara dengan metode ini, yaitu :- Active roll tanks- Fin stabilizer

Active Roll TanksTipe ini memberikan respon kerja yang lebih cepat dan efek redaman

yang lebih besar dibanding tangki pasif terhadap gelombang dilautan yang tidak menentu. Pengembangan lebih jauh dari sistem aktif ini terhadap Frahm U-tube adalah dengan memompa air dari satu tangki ke tangki lainnya sehingga menghilangkan ketergantungan tangki terhadap resonansi Dengan demikian momen penyetabil bisa diterapkan secara lebih cepat.

Gambar 11: Active tank stabilizer

Versi yang sederhana dari sistem aktif adalah adanya sebuah accelerometer yang menyensor gerakan rolling, signalnya dikirim dari peralatan sensor rolling ke variable pitch pump yang mengontrol aliran cairan antar tangki.

Gambar 11 adalah sistem yang dikembangkan oleh Muirhead-Brown. Di sistem ini sebuah propeller yang berputar pada kecepatan konstan diletakkan di pusat channel dan katup di bagian sisi lainnya mengontrol arah aliran air. Pompa membawa level air tinggi dan upper-valve terbuka pada sisi dimana air seharusnya mengalir, di sisi lainnya upper-valve tertutup, namun lower-valve terbuka sehingga memungkinkan air bergerak ke sisi lainnya. Ketika kapal dalam posisi tegak, semua katup akan terbuka sehingga air bisa bergerak bebas diantara dua

9


tangki. Sistem ini dikontrol dengan mekanisme servo yang diatur oleh accelerometer.

Tergantung dari kecanggihan sistemnya, tangki aktif memiliki efisiensi

80% atau lebih didalam menstabilkan gerakan. Kenyataan juga membuktikan bahwa sistem ini mampu mengatasi setiap gelombang secara individu tidak hanya gelombang utamanya saja sehingga sistem ini sangat efektif untuk diterapkan diperairan dengan gelombang yang tidak menentu. Keuntungan lainnya adalah :- Ukuran tangki lebih kecil karena pengaturan berat yang lebih baik- Dapat dioperasikan meskipun pada helling yang konstan- Jika terjadi kerusakan kapal, alat ini dapat digunakan sebagai koreksi- Memungkinkan operasional icebreaker untuk gerakan mendorong- Kecilnya loss pada metacentric height

Fin Stabilization

Sistem aktif dengan fin-stabilization dirakit berdasarkan minimal sepasang fin, satu dipasang di port-side dan lainnya di starboard-side. Untuk gerakan rolling yang mengarah ke port-side, port-fin disetel keatas sedangkan starboard-fin kebawah ( angle of attack dari kedua fin berlawanan satu sama lain ). Kemudian fin akan menghasilkan momen kopel yang melawan momen akibat rolling. Momen yang dihasilkan oleh fin terkait dengan gaya angkat yang dihasilkan oleh fin ketika bergerak pada kecepatan tertentu ( Gambar 12).

Gambar 12 : Fin stabilization

Gambar 13 menunjukkan tipe dari fin-stabilization. Momen penstabil didapatkan dengan mengalikan gaya angkat dengan lengan dari sumbu rolling. Sehingga momen tersebut cenderung membuat helling pada kapal ke arah yang berlawanan dari momen untuk rolling. Dengan membalik arah tilt, arah dari

10


momen penstabil akan membalik dengan tujuan melawan momen rolling yang mana adalah harmonik dan karenanya akan mengubah arahnya setelah setiap setengah periode. Total efek dari exciting dan momen penstabil akan mengurangi gerakan rolling.

Gambar 13: Dua tipe dari Fin-stabilizer

Fin dirancang untuk beroperasi sampai 50 dari wave-slope efektif dan terhadap batas penuh rolling dari kapal. Kepekaan peralatan sensor menentukan tingkat pengkoreksian momen pada gerakan rolling sekecil apapun.

Persyaratan utama untuk sebuah fin stabilizer adalah :- Simetris antara positif dan negatif angle of attack- High maximum lift force- Low drag- Low torque- Retractibility- Adequate strength- Resistance to cavitation

Gambar 14 menunjukkan grafik yang direkam dari gerakan penstabilan pada laut dengan gelombang menengah untuk melawan efek yawing dan heeling.

Gambar 14: Rekaman dari gerakan fin untuk mengatasi rolling tertentu

Fin aktif nampaknya metode yang paling efektif dari semua peralatan penstabil gerakan rolling. Meskipun harga peralatan kontrolnya dan permesinan jauh lebih mahal dibanding lainnya. Namun untuk kapal komersial yang memuat barang mudah pecah, sistem ini sangat dibutuhkan. Aktif fin sangat berguna untuk kapal perang. Misalnya kapal induk pembawa pesawat tempur, ataupun kapal

11


perang yang lebih kecil seperti destroyer. Gambar 15 menunjukkan lay-out dari penempatan fin stabilizer dan sistem pendukungnya.

Kerugian dari fin aktif adalah untuk bisa menghasilkan lift, maka kapal harus bergerak dengan kecepatan tertentu. Lift force yang dihasilkan oleh fin proporsional dengan pangkat dua dari kecepatan kapal. Gambar 16 menunjukkan karakter kerja dari fin stabilizer terhadap kecepatan kapal. Pada kecepatan dibawah 10 knots nampak momen penstabil yang dihasilkan sangat kecil. Juga karena beban dari mekanisme yang aktif atau pada fin-pivot maka displacement maksimum secara angular untuk fin aktif dibatasi oleh kecepatan. Karenanya pemakaian sistem secara penuh tidak mungkin bisa dilakukan.

Gambar 16 : Karakteristik fin pada kecepatan kapal tertentu

Jet FlapsPerkembangan terakhir dari sistem fin untuk menstabilkan gerak rolling

adalah Jet-flaps. Untuk kapal perang atau kapal jenis lainnya yang memerlukan platform yang sangat stabil untuk mengoperasikan helikopter ataupun sonar maka sebuah sistem penstabil yang sangat halus dengan kecepatan rendah mutlak

12

Gambar 15: Lay-out dari Fin-stabilizer


diperlukan. Gambar 17 menunjukkan sistem jet-flap yang dikembangkan oleh British Navy. Sistem ini sesuai untuk kondisi operasi berkecepatan rendah maupun tinggi. Pada sistem jet-flap ini, fin ditanam di hull kapal, dengan demikian beban yang jauh lebih besar bisa diatasi oleh fin dibanding sistem fin aktif. Pada sistem ini, fenomena jet dari fluida disemburkan dari atau dekat trailing-edge dari aerofoil pada sudut tertentu terhadap mainstream. Keberadaan jet menghasilkan gaya angkat yang jauh lebih besar dibanding komponen vertikal dari resultan gaya dorong ( thrust ).

Gambar 17: Sistem Jet-flaps

Gambar diatas menunjukkan bahwa sebuah center-body ( berbentuk seperti bola dengan ujung meruncing ) secara eksentris dipasang pada trailing-edge dari fin. Air yang mengalir didalam fin mengalir melewati seputar center-body tersebut. Ukuran dari celah menentukan kwantitas dari air yang melewatinya. Berdasarkan efek Coanda, jet akan tetap timbul pada center-body, dan masing-masing momen yang dihasilkan dari water-jet tersebut akan bergabung untuk membentuk resultan dari jet-angle. Gaya angkat yang dihasilkan oleh jet-flap proporsional terhadap akar pangkat dua dari momentum yang terjadi, demikian juga sudut dari jet.

Peningkatan lift-force CL tergantung dari kekuatan jet dan sudut dimana semburan terjadi. CL dapat dinyatakan dengan rumusan berikut :

……………………. ( 10 )Dimana :

CL : kenaikan lift akibat jet-flapk : konstan yang tergantung geometri ( 3.9 ) : jet angle ( maksimum 600 )

C : koefisien untuk momentum

: masa dari aliran jetVj : kecepatan jetVo : kecepatan kapalF(AR) : finite aspect ratio correctionF(t/c) : thickness correction

13


Kenaikan lift yang dihasilkan dari jet-flap lalu ditambahkan secara langsung ke lift yang dihasilkan oleh fin.

Rudder stabilization

Pada rudder kapal yang ditempatkan di centerline, gaya angkat yang dihasilkan umumnya bekerja pada titik dibawah roll center ( CG ) dari kapal. Gaya pada sisi tersebut mengakibatkan terjadinya momen yaw dan roll. Momen rolling yang dihasilkan rudder adalah kecil sehingga efeknya juga kecil kecuali frekwensi-nya berada pada region dari frekwensi natural untuk rolling dari kapal.

Tes terhadap model telah menunjukkan bahwa roll-oscillation yang besar dapat dihasilkan oleh :- Momen rolling dari gelombang- Momen gelombang akibat gerak yawingYang mana keduanya akan diluruskan dengan adanya rudder.

Gerakan rolling yang distabilkan oleh sudut rudder ditunjukkan pada Gambar 18.

Gambar 18: Roll stabilization dengan gerakan rudder

The end

14

fin stabiliser

Documents