1

PERANCANGAN AIRSCREW PROPELLER UNTUK AIRBOAT CRAFTKAPASITAS 2 PENUMPANG DENGAN METODE PERHITUNGAN BLADE

ELEMENT

Fitra Adi Hermawan *)

Ir. Amiadji, MM, M.Sc **)

Edi Jatmiko, ST, MT **)

*) Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS**) Dosen Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS

ABSTRAK

Di Indonesia, karya ilmiah atau penilitian mengenai aplikasi dan perancangan airscrew propellerairboat jumlahnya masih sedikit dan terbatas. Sehingga perlu dilakukan penelitian lebih lanjut sebagaisalah satu upaya untuk mendukung perkembangan kegiatan rancang bangun airboat, baik itu untukkepentingan industri maupun pendidikan.

Dalam Tugas Akhir ini perancangan airscrew propeller dilakukan dengan metode perhitunganmatematis dari teori blade element. Metode ini digunakan untuk menentukan dimensi fisik sertakarakteristik propeller melalui proses perhitungan matematis sampai didapatkan karakteristik propelleryang paling optimal melalui proses iterasi pada beberapa variabel perhitungan.

Data input untuk perhitungan propeller tersebut adalah diameter, jumlah blade, tipe airfoil, putaranmaksimal, dan uniform geometric pitch propeller, dimana uniform geometric pitch ini nilainyadivariasikan sampai dihasilkan output perhitungan berupa torsi propeller, thrust propeller, dan efisiensipropeller yang paling optimal. Sebelum sampai pada perhitungan propeller, di bagian awal dilakukanperhitungan terhadap tahanan atau gaya hambat karena hull (badan) airboat bergerak pada kecepatanmaksimal, dimana direncanakan sebesar 25 knot. Selain kecepatan, variabel utama lain yangberpengaruh terhadap besarnya tahanan hull airboat adalah kapasitas penumpang, direncanakanmaksimal untuk 2 penumpang. Dimana kapasitas penumpang ini akan menentukan besarnya dimensihull, dan dimensi hull akan menentukan bentuk dan nilai tahanan hull. Selanjutnya nilai tahanan hull inidigunakan untuk menentukan besarnya kebutuhan gaya dorong untuk menggerakkan airboat sampaipada kecepatan maksimal yang telah direncanakan, dimana kebutuhan gaya dorong hasil perhitungantahanan hull adalah sebesar 903,827 N. Dari perhitungan propeller pada uniform geometric pitch 0,457m didapatkan nilai thrust sebesar 1746,689 N, dimana nilai ini memenuhi atau lebih besar darikebutuhan gaya dorong hasil dari perhitungan tahanan hull airboat. Kemudian untuk torsi yangdihasilkan adalah sebesar 130,471 Nm dengan efisiensi propeller sebesar 0,783. Diketahui dimana padauniform geometric pitch 0,457 m propeller memiliki efisiensi paling tinggi.

Selanjutnya dilakukan proses penggambaran secara teknis bentuk fisik dari propeller sesuaidengan diameter, jumlah blade dan data perhitungan berupa sudut pitch airfoil pada kondisi uniformgeometric pitch terpilih. Serta berdasarkan dimensi fisik lain hasil dari perhitungan planform propellertipe airfoil terpilih.

Kata kunci : Airfoil, Airscrew Propeller, Airboat, Teori Blade Element

I. PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Airboat merupakan sebuah perahu yangmemanfaatkan tenaga dorong hasil kerja atau

putaran propeller udara, biasa disebut airscrewpropeller atau aircraft propeller. Reaksi fluida padapropeller tersebut berupa gaya dorong, dimanagaya dorong ini menyebabkan airboat dapatbergerak maju dengan kecepatan tertentu.

2

Airboat memiliki bentuk bagian bawahbadan perahu yang flow-line dan flat-bottomsehingga memiliki olah gerak dan tingkatkestabilan yang baik, disamping itu airboat jugamemiliki draft yang sangat kecil sehingga dapatdioperasikan pada daerah perairan yang sangatdangkal.

Secara umum sistem propulsi airboat terdiridari rudder, airscrew propeller dan prime moverdari jenis aircraft ataupun automotive engine,dimana propeller dan main engine dihubungkanoleh sistem shaft.

Gerakan airboat dalam perairan tidakmenimbulkan wake wash atau gelombang. Dengankata lain, besarnya hambatan karena pengaruhgelombang air memiliki nilai yang sangat kecil,maka prioritas utama dalam desain dan pemilihanprime mover difokuskan pada hasil dari gayadorong yang dihasilkan oleh putaran propelleruntuk menggerakkan airboat dengan kecepatantertentu dalam pengaruh hambatan udara danhambatan gesekan air.

Di Indonesia penelitian mengenaiperancangan airscrew propeller khusus untukaplikasi pada airboat jumlahnya masih sangatterbatas. Sehingga perlu dilakukan penelitian lebihlanjut mengenai perancangan dan aplikasi airscrewpropeller tersebut pada airboat. Dalam Tugas Akhirini perhatian akan dipusatkan pada perancanganairscrew propeller penghasil gaya dorong airboat.

I.2 Perumusan Masalah

1.2.1 Permasalahan

Permasalahan yang akan dianalisa dan diselesaikandalam Tugas Akhir ini adalah bagaimana denganmaterial kayu dan bentuk airfoil yang sederhanadidapatkan airscrew propeller dengan nilai thrust,torsi, dan efisiensi yang optimal melalui metodeperhitungan blade element pada aplikasinya untukairboat dengan kapasitas 2 penumpang.

1.2.2 Batasan Masalah

Adapun batasan masalah yang diambil dalamperancangan airscrew propeller ini adalah :

1. Tidak melakukan desain hull atausuperstructure airboat secara detail, desain

hull digunakan untuk mendapatkandimensi utama dari airboat dan untukmelakukan perhitungan awal.

2. Air propeller pada kondisi ideal ataukondisi pada parameter yang telahditentukan

3. Metode perhitungan yang digunakanadalah metode perhitungan dari teori bladeelement.

4. Perancangan untuk bentuk airfoilsederhana.

5. Tidak ada perhitungan konstruksi dan beratpropeller serta interaksi dengan hull.

6. Material yang digunakan adalah kayu.

1.3 Tujuan Tugas Akhir

Tujuan akhir dari pengerjaan Tugas Akhir iniadalah :

1. Mendapatkan karakteristik torsi, thrust, danefisiensi airpropeller untuk airboat 2penumpang pada nilai yang paling optimalmelalui metode perhitungan dari teoriblade element.

2. Mewujudkan airpropeller hasil perhitungantersebut ke dalam gambar teknik.

1.4 Manfaat Tugas Akhir

Manfaat dari penulisan Tugas Akhir ini adalah :

1. Referensi teknis untuk keperluanakademik.

2. Referensi teknis untuk keperluan penelitianataupun pengembangan airboat khususnyamengenai desain airscrew propeller.

II. METODOLOGI PERANCANGAN

II.1 Studi Literatur

Langkah awal adalah melakukan studi literaturuntuk mendapatkan materi dan konsep dasar daribeberapa hal pokok berikut :

1. Konsep dasar airboat

3

2. Konsep dasar aerodinamika

3. Konsep dasar airpropeller

4. Teori blade element

5. Aplikasi teori blade element padaperancangan airpropeller

II.2 Pengumpulan Data

Beberapa pokok materi dan data yang diperlukansebagai penunjang dalam penyelesaian TugasAkhir ini adalah sebagai berikut :

1. Airboat pembanding (untuk validasi)

2. Tipe dan planform airfoil

3. Grafik atau tabel performa airfoil

4. Airpropeller pembanding (untuk validasi)

II.3 Analisa Data

2.3.1 Desain Hull Airboat

Batasan Desain Hull

Tujuan dilakukannya desain hull adalah untukmenentukan dimensi utama airboat yang sesuaidengan batasan desain berikut :

1. Hull untuk dua penumpang (2 pax).

2. Kecepatan maksimal airboat 25 knot.

Tidak melakukan desain hull secara detail terhadapkonstruksi, material, aksesoris, atau sistemtambahan lain pada hull.

Input Data Desain Maxsurf

Perancangan hull dilakukan pada software Maxsurfdengan melakukan modifikasi airboat pembandingpada template design, dengan memasukkan inputdata berikut :

1. Length of water line (m)

2. Beam (m)

3. Immersed depth (m)

Output Data Maxsurf

Setelah melakukan modifikasi kemudiandidapatkan data sebagai berikut :

1. Displacement (ton)

2. Volume (m3)

3. Draft to baseline (m)

4. Immersed depth (m)

5. Length of water line (m)

6. Wetted Surface Area (m2)

7. Coefficient prismatic

8. Coefficient block

9. Coefficient midship

10. LCB from zero point (m)

2.3.2 Perhitungan Tahanan Airboat

Komponen Tahanan Airboat

Komponen tahanan yang berlaku pada airboatadalah sebagai berikut :

1. Friction resistance (N)

2. Wind resistance (N)

Metode Perhitungan Tahanan Airboat

Metode yang digunakan untuk menghitung tahananpada airboat yaitu perhitungan menggunakanrumus dari :

1. ITTC 1957.

2. Blendermann (1993, 1996).

Data Input Perhitungan Tahanan

Data yang diperlukan untuk melakukanperhitungan dengan metode tersebut adalah :

1. Viskositas kinematis air laut (m2/s)

2. Berat jenis air laut (m3/s)

3. Kecepatan maksimal airboat (m/s)

4. Length of water line (m)

4

5. Wetted surface area (m2)

2.3.3 Desain Airpropeller Airboat

Metode Perhitungan Airpropller

Metode yang digunakan adalah perhitungan teoritisdari teori blade element. Perhitungan blade elementadalah salah satu aplikasi dari teori momentumpropeller. Perhitungan ini dilakukan untukmenganalisa dan mengetahui karakteristik sertaperforma tiap element airfoil penyusun bladepropeller.

Penentuan Tipe dan Planform Airfoil

Menentukan tipe airfoil yang sesuai untukairpropeller airboat, dimana kesesuaian tersebutdidapatkan dari hasil pertimbangan terhadapbeberapa parameter berikut :

1. Material yang digunakan.

2. Kesederhanaan bentuk airfoil.

3. Performa airfoil.

Input data Perhitungan Blade Element

Beberapa data yang diperlukan sebagai input untukmelakukan perhitungan airpropeller berdasarkanteori blade element adalah sebagai berikut :

1. Uniform geometric pitch – P (m).

2. Kecepatan maksimum aiboat - Vc (m/s).

3. Blade number – B.

4. Diameter propeller – D (m).

5. Shaft revolution – n (rpm).

6. Massa jenis udara – ρudara (kg/m3).

7. Viskositas kinematis udara – v (m2/s).

Perhitungan Blade Element

Perhitungan blade element meliputi beberapa tahapperhitungan sebagai berikut :

1. Perhitungan kecepatan linear elemenairfoil.

2. Perhitungan awal sudut θ dan α.

Dimana nilai inflow factor aksial daninflow factor rotasional diasumsikanterlebih dahulu untuk menentukan sudutserang awal untuk airfoil. Kemudian nilaiawal untuk sudut serang ini digunakanuntuk membaca grafik rasio koefisien lift –drag terhadap sudut serang airfoil padaangka reynold tertentu.

3. Perhitungan angka reynold tiap elemenairfoil.

Perhitungan angka reynold untukmenentukan grafik rasio koefisien lift –drag terhadap sudut serang airfoil yangsesuai.

4. Pembacaan nilai kL dan kD tiap elemenairfoil.

Penentuan nilai koefisien lift dan koefisiendrag hasil pembacaan grafik atau tabelrasio koefisien lift – drag terhadap sudutserang airfoil.

5. Perhitungan awal sudut γ elemen airfoil.

6. Perhitungan nilai inflow factor aksial.

7. Perhitungan nilai inflow factor rotasional.

8. Perhitungan efisiensi elemen airfoil.

9. Perhitungan akhir sudut sudut θ, sudut αdan sudut γ elemen airfoil.

10. Perhitungan koefisien torsi dan thrustelemen airfoil.

Setelah semua karakteristik tiap airfoildidaptakan kemudian dilakukanperhitungan terhadap koefisien torsi danthrust elemen.

11. Integrasi nilai koefisien torsi dan thrustelemen airfoil.

Dilakukan integrasi terhadap nilaikoefisien torsi dan thrust tiap elemen untukmendapatkan koefisien torsi dan thrustairpropeller. Integrasi menggunakanmetode simpson.

5

12. Perhitungan torsi, thrust dan efisiensiairpropeller.

13. Perhitungan akhir adalah perhitungan torsi,thrust dan efisiensi airpropeller, setelahsemua koefisien dan data tersebut diatasdidapatkan.

2.2.4 Gambar Teknis Airpropeller

Setelah didapatkan karakteristik airpropeller yangoptimal berdasarkan pada proses perhitungan diatasmaka langkah selanjutnya adalah mewujudkanplanform airfoil ke dalam sebuah gambar teknik,sesuai dengan diameter dan jumlah blade yangtelah diketahui dan ditentukan sebelumnya.Penggambaran dilakukan dengan bantuan softwareAutoCAD.

2.2.5 Pemilihan Main Engine

Langkah selanjutnya adalah menentukan mainengine yang sesuai dengan kebutuhan daya airboat.Dimana daya yang dikeluarkan main enginetersebut digunakan untuk mengoperasikan ataumemutar propeller sehingga propeller tersebutmampu menghasilkan thrust untuk mendorongairboat sampai pada batas kecepatan maksimalyang telah ditentukan. Selain parameter kebutuhandaya, parameter lain yang harus menjadipertimbangan dalam pemilihan main engine adalahputaran poros serta torsi maksimal dari mainengine.

II.3 Kesimpulan dan Saran

Ditarik beberapa kesimpulan sesuai dengankonsepsi dan hasil perhitungan pada analisa data.Kemudian dikaji apakah hasil akhir tersebut sudahsesuai dengan batasan masalah dan tujuan yangtelah dipaparkan pada bab pendahuluan

III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

III.1 Desain Hull dan Perhitungan TahananAirboat

Perhitungan terhadap tahanan atau gaya hambatkarena hull (badan) airboat bergerak padakecepatan maksimal, dimana direncanakan sebesar25 knot. Selain kecepatan, variabel utama lain yangberpengaruh terhadap besarnya tahanan hull airboatadalah kapasitas penumpang, direncanakan

maksimal untuk 2 penumpang. Dimana kapasitaspenumpang ini akan menentukan besarnya dimensihull, dan dimensi hull akan menentukan bentuk dannilai tahanan hull. Selanjutnya nilai tahanan hull inidigunakan untuk menentukan besarnya kebutuhangaya dorong untuk menggerakkan airboat sampaipada kecepatan maksimal yang telah direncanakan,dimana kebutuhan gaya dorong hasil perhitungantahanan hull adalah sebesar 903,827 N.

Dari perhitungan propeller pada uniformgeometric pitch 0,457 m didapatkan nilai thrustsebesar 1746,689 N, dimana nilai ini memenuhiatau lebih besar dari kebutuhan gaya dorong hasildari perhitungan tahanan hull airboat. Kemudianuntuk torsi yang dihasilkan adalah sebesar 130,471Nm dengan efisiensi propeller sebesar 0,783.Diketahui dimana pada uniform geometric pitch0,457 m propeller memiliki efisiensi paling tinggi.

III. 2 Pemilihan Airfoil

Selanjutnya dilakukan proses komparasi dilakukandengan bantuan software Profili 2.21 untukmempermudah penyajian dalam bentuk grafik dantabel. Beberapa input data yang diperlukan adalahtipe airfoil yang akan dikomparasi, yaitu Clark Y,RAF 6, dan NACA 4412.

Tujuan dari analisa komparatif adalah untukmendapatkan nilai koefisien gaya angkat palingtinggi diantara ketiga tipe airfoil tersebut padapanjang chord, sudut serang (angle of attack) danangka Reynolds yang sama. Grafik komparasi yangtelah disajikan oleh software Profili 2.21 adalahsebagai berikut :

Gambar 4.1 Grafik cL dan cD

6

Gambar 4.2 Grafik cL cD – α

Gambar 4.3 Perbadingan bentuk aifoil RAF 6,CLARK Y, dan NACA 4412

Dari pembacaan grafik tersebut diketahuiRAF 6 memilki nilai koefisien gaya angkat yangpaling tinggi. Pertimbangan lain RAF 6 memilikibentuk yang paling sederhana, dimana pada bagianbawah chord cenderung rata dan pada umumnyasesuai jika digunakan sebagai elemen propellerberbahandasar kayu.

III.3 Perhitungan Blade Element

3.3.1 Input data

Diameter – D

Diameter ditentukan semaksimal mungkin sesuaidengan batasan yang telah disebutkan diatas, sertadisesuaikan dengan lebar hull airboat danketersediaan ruang

D = 1,300 m

Tipe airfoil

Tipe airfoil yang dipilih adalah RAF 6

Putaran propeller – n

Putaran propeller diusahakan semaksimal mungkinmenghasilkan kecepatan tangensial airfoil padabagian tip dibawah nilai kecepatan tip maksimalyang masih diijinkan untuk propeller kayu yaitu220 m/s.

n = 2100 rpm

Uniform geometric pitch – P

P1 = 0,457 m

P2 = 0,460 m

P3 = 0,463 m

P4 = 0,466 m

P5 = 0,469 m

P6 = 0,472 m

Jumlah blade –B

B = 2

Densitas udara – ρudara

Pada suhu sekitar 15oC

ρudara = 1,226 kg/m3

Viskositas kinematis udara – v

Pada suhu sekitar 15oC

v = 1,51·10-5 m2/s

Perhitungan kecepatan linear elemen airfoil.

Melakukan perhitungan terhadap kecepatan lineartiap elemen.

Vt = 2·π·n·r

Nilai Vt untuk tiap elemen adalah sebagai berikut :

Vtr0,30 = 42,883 m/s Vtr0,45 = 64,324 m/s

7

Vtr0,60 = 85,765 m/s

Vtr0,75 = 107,207 m/s

Vtr0,90 = 128,648 m/s

Diketahui kecepatan pada bagian tip propeller yaitupada r0,90 adalah 128,648 m/s, kecepatan ini masihdibawah kecepatan maksimal yang diijinkan untukpropeller kayu yaitu sebesar 220 m/s.

Perhitungan awal sudut θ dan sudut α.

Menghitung sudut pitch dan angle of attack untuksetiap elemen pada nilai inflow factor aksial daninflow factor rotasional hasil asumsi. Nilai asumsitersebut mengacu pada buku E. Lo Houghton &PW Carpenter, Aerodynamics for EngineeringStudent.

Kemudian nilai awal untuk angle of attack inidigunakan untuk membaca grafik rasio koefisienlift – drag terhadap sudut serang airfoil pada angkaReynold tertentu.

Asumsi awal untuk inflow factor axial dan inflowfactor rotational adalah sebagai berikut :

a1 = 0,1

a2 = -0,02

Nilai ini akan dianalisa lebih lanjut pada tahapperhitungan berikutnya.

Sudut θ dinyatakan sebagai sudut antara bidangrotasi propeller dengan garis referensi airfoil(chord), ditentukan oleh persamaan berikut :

θ = arctan (P/2·π·r)

Dimana r adalah radius atau jarak elemen ke hub. Padalah uniform geometric pitch, nilai inidivariasikan.

Sudut ф adalah sudut diantara bidangrotasi dan kecepatan resultan VR, dan ditentukanoleh persamaan :

Ф = arctan((1+a1)/(1+a2))·(Vc/Vt)

Angle of attack α pada setiap airfoildinyatakan dengan persamaan berikut

α = θ - Ф

Sehingga nilai angle of attack untuk setiap elemendari beberapa variasi uniform geometric pitchadalah berbeda.

Perhitungan angka Reynold tiap elemen airfoil.

Menghitung angka Reynold di setiap elemen,dimana angka ini nantinya akan digunakan untukmendapatkan nilai kL dank D pada grafik kL/kD – α.

Rn = VR·c/v

Dimana :

VR = (1+a2)·ω·r·secФ

Pembacaan nilai kL dan kD tiap elemen airfoil.

Penentuan nilai koefisien lift dan koefisien draghasil dari pembacaan grafik atau tabel rasiokoefisien lift dan koefisien drag terhadap sudutserang airfoil (tabel terlampir).

Perhitungan awal sudut γ elemen airfoil.

Kemudian nilai koefisien lift dan koefisien dragtersebut digunakan untuk menghitung sudut γ.Dimana :

γ = arctan(kD/kL)

Sudut γ di setiap elemen pada beberapa variasi nilaiuniform geometric pitch adalah berbeda.

Perhitungan nilai inflow factor axial (a1) danrotational (a2).

Nilai inflow factor axial (a1) dan rotational (a2)dihitung di setiap angka Reynold yang berbeda-beda sesuai dengan perhitungan sebelumnya. Daribuku Applied Aerodynamic karya Bairstow,interval nilai angle of attack ditentukan terlebihdahulu sesuai dengan kebutuhan, dimana nilaisudut Ф yang sesuai untuk beberapa nilai atauposisi angle of attack tersebut sudah diketahui.Hasil perhitungan inflow factor axial (a1) danrotational (a2) ini kemudian ditabulasikan.

Nilai angle of attack yang sudahdiketahui untuk setiap elemen pada perhitungansebelumnya kemudian diinterpolasi sesuai dengandata hasil tabulasi tersebut diatas untuk mengetahui

8

nilai inflow factor axial (a1) dan rotational (a2) disetiap nilai sudut tersebut.

a1/(1+a1) = (λ1/2π)·(c/r)(cosec2ϕ)·(kLcosϕ-kDsinϕ)

a2 = -a1·tan(ϕ+γ)/(ω·r/V)

V/ω·r = 1/((1+a1)/(tanϕ))+(a1·tan(ϕ+γ))

Dimana nilai adalah konstan untuk semua tipeairscrew propeller dan berlaku pada semua variasikondisi operasi. Dari buku Applied Aerodynamickarya Bairstow nilai adalah sebesar :

= 0,35

Selanjutnya melakukan perhitungan efisiensi disetiap elemen airfoil sesuai dengan inflow factoraxial (a1) dan rotational (a2) hasil perhitungan diatas.

η = (V/ω·r)/tan(ϕ+γ)

Tujuan dari perhitungan efisiensi ini adalah untukmengetahui range nilai angle of attack setiapelemen yang menghasilkan efisiensi palingoptimal. Perhitungan ini dapat digunakan untukmengevaluasi range nilai angle of attack dariperhitungan sebelumnya. Apabila range nilaitersebut sudah masuk dalam range optimal padaperhitungan efisiensi elemen ini, maka perhitungandapat dilanjutkan dengan melakukan interpolasiuntuk mendapatkan nilai inflow factor axial (a1)dan rotational (a2) pada nilai angle of attackperhitungan awal.

Perhitungan akhir sudut sudut θ, sudut α dansudut γ elemen airfoil.

Setelah mendapatkan nilai a1 dan a2 dari hasilperhitungan maka langkah selanjutnya adalahmenghitung kembali nilai sudut θ, sudut α, dansudut γ elemen airfoil dengan metode yang samaseperti pada perhitungan awal.

Perhitungan koefisien torsi dan thrust elemenairfoil.

Nilai sudut γ dan sudut Ф di setiap airfoil sudahdiketahui untuk beberapa variasi nilai uniformgeometric pitch. Kemudian dengan memplotkan

nilai sudut α hasil perhitungan terakhir pada grafikkL/kD – α maka akan didapatkan kembali nilai kLdan kD yang baru untuk kemudian digunakansebagai input data pada perhitungan koefisien torsidan thrust di setiap elemen airfoil.

f(α) = kL·cosФ – kD·sinФ/cos(Ф+γ)

Nilai koefisien thrust dan torsi di tiap elemendihitung dengan formula berikut :

QC = f(α)·(r/D)·sin(Ф+γ)

TC = f(α)·cos(Ф+γ)

Integrasi nilai koefisien torsi dan thrust elemenairfoil.

Dilakukan integrasi terhadap nilai koefisien torsidan thrust tiap elemen untuk mendapatkankoefisien torsi dan thrust airscrew propeller. Hasilintegrasi koefisien torsi dan thrust adalah luasandibawah kurva koefisien torsi dan thrust sepanjangr/D. Sesuai dengan persamaan berikut :

QCblade = QC d(r/D)

TCbladde = TC d(r/D)

Perhitungan torsi, thrust dan efisiensiairpropeller.

Kemudian dapat dihitung besarnya thrust, torsi danefisiensi airscrew propeller pada beberapa nilaiuniform geometric pitch.

Qprop = ρ·n2·D4·B·QC

Tprop = ρ·n2·D5·B·TC

ηprop = Tprop·VC/2·π·n·Qprop

Pada nilai uniform geometric pitch sebesar 1,50 ft(0,457 m) diketahui airscrew propeller memilikiefisiensi yang paling tinggi. Dapat diketahui jugabahwa thrust yang dihasilkan oleh airscrewpropeller sudah mampu mendorong airboat dengankecepatan maksimal yaitu sebesar 25 knot.Sebelumnya diketahui kebutuhan gaya doronguntuk mengatasi gaya hambat airboat adalahsebesar 903,827 N, nilai ini jauh lebih kecildaripada gaya dorong maksimal yang dapatdihasilkan oleh airscrew propeller tersebut, yaitu

9

sebesar 1746,689 N. Airscrew propeller airboat iniselanjutnya dirancang berdasarkan pada kondisidan parameter tersebut.

III.4 Pemilihan Motor Penggerak AirscrewPropeller

Diketahui dimana kebutuhan gaya dorong adalahsebesar

Rtotal = 903,827 N

dimana gaya tersebut diperlukan untuk mengatasihambatan dan menggerakkan airboat hull sampaipada batas kecepatan maksimal sebesar

VC = 12,861 m/s

maka daya minimal yang harus disediakan olehmotor untuk menggerakkan airboat hull sampaipada batas kecepatan maksimal tersebut adalahsebesar

Phull = Rtotal·VC

= 903,827N·12,861m/s

= 11624,12 watt

= 15, 588 hp

Untuk memutar propeller dengan putaranmaksimal sebesar

n = 2100 rpm

Sehingga propeller mampu menghasilkan gayadorong sebesar

Tprop = 1746,689 N

dengan torsi maksimal yang dihasilkan sebesar

Qprop = 130,4715 N

Maka kebutahan daya minimal motor yangdiperlukan untuk memutar propeller sampai padaputaran maksimal tersebut adalah

P = 2·π·n·Qprop

= 2·π·35rps·130,4715Nm

= 28692,17211 watt

= 38,47683 hp

Dengan allowance sebesar 15% maka kebutuhandaya total menjadi sebesar

Paktual = 38,47683hp/0,85

= 45,26686 hp

Diketahui nilai gaya dorong yang dihasilkan olehpropeller tersebut masih lebih besar daripada nilaitotal kebutuhan gaya yang diperlukan untukmengatasi gaya hambat dan menggerakkan airboatsampai pada batas kecepatan maksimal.

Pertimbangan lain dalam pemilihanmotor adalah torsi maksimal dari propeller tidakboleh lebih besar daripada torsi yang dihasilkanoleh motor.

III.5 Perhitungan Gambar Airscrew Propeller

Posisi outline masing-masing airfoil diketahui daritabel koordinat. Posisi outline digunakan untukmenggambar bentuk airfoil. Persentase panjangchord airfoil dinyatakan pada sumbu absis,sedangkan letak sisi upper dan lower diwujudkanpada sumbu ordinat.

Setelah semua airfoil terbentuk,kemudian airfoil tersebut diposisikan sesuai denganjaraknya masing-masing dari sumbu propeller(terlampir).

IV. KESIMPULAN DAN SARAN

IV.1 Kesimpulan

1. Sebelum sampai pada perhitungan propeller, dibagian awal dilakukan perhitungan terhadaptahanan atau gaya hambat karena hull (badan)airboat bergerak pada kecepatan maksimal.Dimana direncanakan airboat dapat bergeraksampai pada kecepatan maksimal sebesar 25knot.

2. Selain kecepatan, variabel utama lain yangberpengaruh terhadap besarnya tahanan hullairboat adalah kapasitas penumpang. Airboatdirencanakan untuk 2 penumpang. Dimanakapasitas penumpang ini akan menentukanbesarnya dimensi hull, dan dimensi hull akanmenentukan bentuk dan nilai tahanan hull. Dariperencanaan hull airboat pada software

10

Maxsurf didapatkan dimensi utama panjanggaris air Lwl sebesar 3,25 m, lebar pada garisair Bwl sebesar 1,1 m, dan draft T sebesar 0,25m.

3. Selanjutnya nilai tahanan hull ini digunakanuntuk menentukan besarnya kebutuhan gayadorong untuk menggerakkan airboat sampaipada kecepatan maksimal yang telahdirencanakan, dimana kebutuhan gaya doronghasil perhitungan tahanan hull adalah sebesar903,827 N. Nilai tahanan ini adalahpenjumlahan dari dua komponen gaya hambatyang terjadi pada airboat. Dua komponentersebut adalah friction resistance (gaya hambatkarena gesekan dengan fluida air) dimana hasildari perhitungan didapatkan nilai sebesar885,156 N, dan wind resistance (gaya hambatkarena gesekan dengan udara) dimana darihasil perhitungan didapatkan nilai sebesar18,671 N.

4. Data input yang diperlukan untuk melakukanperhitungan propeller dengan metode bladeelement adalah sebagai berikut :Data input yang tidak divariasikan :a. Diameter propeller (D)

Ditentukan D sebesar 1,3 m. Ditentukanberdasarkan batasan terhadap lebar hullairboat. Diusahakan untuk mendapatkanpanjang maksimal sesuai dengan batasanlebar hull tersebut.

b. Jumlah blade propeller (B)Ditentukan B sebanyak 2 blade.Diusahakan seminimal mungkin untukmempermudah proses pembuatan sertamemperkecil beban kerja dari propellerakibat berat yang dimiliki oleh propeller itusendiri.

c. Tipe airfoil propellerDipilih airfoil dari jenis RAF 6. Dimanaairfoil ini memiliki nilai kL/kD paling tinggidibandingkan dengan Clark Y dan NACA4412 pada angka reynold yang sama.Pertimbangan lain karena RAF 6 memilikibentuk yang paling sederhana.

d. Putaran maksimal propeller (n)Diusahakan semaksimal mungkin danharus dibawah nilai kecepatan tipmaksimal yang masih diijinkan untukpropeller berbahan dasar kayu yaitusebesar 220 m/s (kecepatan tangensialmaksimal pada bagian tip). Ditentukan

putaran propeller maksimal sebesar 2100rpm.

Data input yang divariasikan :

a. Uniform geometric pitch propeller (P)Dimana uniform geometric pitch ininilainya divariasikan sampai dihasilkanoutput perhitungan berupa torsi propeller,thrust propeller, dan efisiensi propelleryang paling optimal. Dimana perhitunganmenggunakan variasi untuk nilai P1 0,457m, P2 0,460 m, P3 0,463 m, P4 0,466 m, P50,469 m, P6 0,472 m.

5. Diketahui dimana pada uniform geometricpitch P1 0,457 m propeller memiliki efisiensipaling tinggi yaitu sebesar 0,783. Dariperhitungan propeller pada uniform geometricpitch P1 tersebut didapatkan nilai thrust sebesar1746,689 N, dimana nilai ini memenuhi ataulebih besar dari kebutuhan gaya dorong hasildari perhitungan tahanan hull airboat.Kemudian untuk torsi yang dihasilkan adalahsebesar 130,471 Nm.

6. Pada uniform geometric pitch P1 0,457 mdiketahui dari hasil perhitungan akanmenghasilkan nilai angle of attack yang palingmendekati nol untuk setiap airfoil. Diketahuisesuai dengan perhitungan effisisensi elemenairfoil pada nilai angle of attack 0o akanmenghasilkan nilai efisiensi yang paling tinggi.Selain itu, sesuai dengan tabel kL dan kD padaangle of attack 0o - 2o setiap airfoil propellerakan menghasilkan perbandingan kL/kD palingtinggi.

7. Pertimbangan utama dalam pemilihan mainengine atau motor penggerak adalah kebutuhandaya untuk menggerakkan propeller sampaimenghasilkan thrust sesuai denganperhitungan. Dari pemilihan main enginedidapatkan main engine dengan daya maksimal51 hp (Kohler Diesel KDW2204), diketahuikebutuhan untuk menggerakkan propeller agardapat beroperasi sampai menghasilkan thrustdan putaran maksimal adalah 45,267 hp.Kemudian pertimbangan lain dalam pemilihanadalah putaran dan torsi yang dihasilkan olehmain engine. Dari hasil pemilihan main enginetersebut didapatkan torsi maksimal sebesar 144Nm dengan putaran maksimal sebesar 3000rpm. Torsi ini diketahui masih lebih besar

11

daripada torsi yang dihasilkan propeller,sehingga main engine masih dapat mengatasibeban yang diperlukan untuk mengoperasikanpropeller sampai dapat berputar pada putaranmaksimal. Diketahui putaran propeller masihdibawah putaran main engine. Untukmenghasilkan putaran pada nilai 2100 rpmdiperlukan reduction gear dengan ratio sekitar1 : 4

IV.2 Saran

1. Perlu dilakukan analisa khusus mengenaipemilihan airfoil untuk airscrew ropeller.Melalui analisa matematis, analisa danpengujian pada terowongan angin, ataupunanalisa dan pengujian secara virtual melaluisoftware CFD.

2. Perlu dilakukan analisa terhadap kekuatanmaterial propeller secara lebih mendalam.

3. Perhitungan blade element adalah langkah awaldari sebuah proses produksi airscrew propeller.Perhitungan ini digunakan untuk menentukandimensi fisik airscrew propeller. Dimanapropeller tersebut memiliki performa ataukarakter yang dianggap layak dan memadaisesuai dengan batasan dan variabel perhitunganyang relevan. Selanjutnya dalam prosesproduksi perlu dilakukan analisa lebih detail,meliputi pengujian pada terowongan anginataupun analisa melalui software CFD untukmengetahui performa sesungguhnya.

DAFTAR PUSTAKA

Herbert Schneekluth & Volker Bertram, ShipDesign for Efficiency and Economy, Butterworth-Heinemann, London.

Sv. Aa. Harvald, Tahanan dan Propulsi Kapal,Airlangga University Press, Surabaya

E. Lo Houghton & PW Carpenter, Aerodynamicsfor Engineering Student, Butterworth Heinemann,London.

L.M Milne Thomson, Theoretical Aerodynamics,Dover Publications Inc., New York.

L. Yun & A. Bliault, Theory and Design AirCushion Craft, John Wiley & Sons Inc., New York.

Ira H. Abbott, Theory of Wing Sections, DoverPublications Inc., New York.

E. Lo Houghton & PW Carpenter, Aerodynamicsfor Engineering Student, Butterworth Heinemann,London.

Clifford Matthews, Aeronautical Engineer’s DataBook, Butterworth Heinemann, London.

Jenkinson, L. R, Aircraft Design Projects, JohnWiley & Sons Inc., New York.

Frank M. White, Fluid Mechanics Second Edition,Erlangga, Jakarta.