Teori desain Propeller kapal

Dalam merencanakan propeller kapal terdapat berbagai teori sebagai ladasannya, jenis-jenis teori desain propeller kapal yaitu sebagai berikut :

1. Teori Sederhana Aksi Baling – baling ( Putaran mur pada baut )
Pada permulaan perkembangan teori yang mempelajari bekerjanya baling – baling ulir, baling- baling dijelaskan secara sederhana. Azas yang dipergunakan menerangkan hal tersebut adalah azas mur yang berputar pada suatu baut. Dalam satu kisaran baling-baling harus bergerak ke depan sejauh jarak yang sama dengan langkah ulirnya P ( pitch). Jadi, kalau roda baling-baling berputar n kali putaran permenit maka dalam satu menit roda  baling – baling akan bergerak sejauh n kali P.

Propeller kapal tersebut dalam satu kisaran sebenarnya hanya  hanya bergerak maju sejauh jarak kurang dari n kali P. Hal ini air disebabkan karena air dipercepat kebelakang.

Perbedaan jarak tersebut disebut Slip. Slip diperhitungkan dalam hal propeller mediumnya adalah air bukannya benda padat seperti keadaan mur dan baut. Menurut teori ini bahwa efisiensi baling – baking adalah
n = TVA / TnP = 1 – SRDimana   :
Dimana   :  
T     = gaya dorong ( N ; KN )
n        = putaran propeller . menit
P    = Pitch daun baling-baling ( m )
VA    = Kecepatan air yang melalui bidang piringan baling-baling ( m / detik  ; knot )

Harga slip ratio nyata Sr menggambarkan usaha untuk mengerakan air agar air bergerak kebelakang. Harganya selalu positif agar kapal bergerak maju ( ada usaha agar air bergerak kebelakang ). Harga slip ratio khayal / semu Sa dipakai untuk mengetahui bekerjanya propeller apakah normal atau tidak.
Dari persamaan diatas bila tidak ada slip ( Sr = 0 ) nilai efisiensi ( menjadi 1 atau 100 % . Hhal ini tidak mungkin sebab bila tidak ada slip berarti tidak ada percepatan air ditimbulkan oleh baling-baling untuk menghasilkan dorongan. Disebabkan karena adanya kemungkinan nilai Sr dapat menjadi nol maka teori ini tidak cocok dipergunakan untuk menerangkan fenomena baling-baling kapal. Oleh karena itu dikembangkan teori lain.
2. Teori Momentum Propeller kapal
Teori ini  menganggap bahwa propeller sebagai alat untuk mempercepat pindahnya air sampai ketempatnya didepan daun baling-baling ( dibelakang kapal ). Air akan mengalami percepatan aksial (a ) dan menimbulkan slip dengan kecepatan kearah belakang kapal akibat gerak berputarnya daun baling-baling  dengan letaknya yang condong terhadap sumbu baling-baling.

Reaksi yang timbul akibat percepatan air kebelakang menimbulkan gaya dorong . Air akan mengalami perlambatan yang teratur akibat gaya-gaya dariviskositas air setelah melalui propeller. Hal ini menyebabkan energi propeller terbuang sehinga ada kehilangan energi. Sumber lain yang menyebabkan kehilangan energi :
Tahanan akibat gesekan daun baling-baling , dan
Baling-baling memberi putaran pada arus slip untuk mempercepat air.
Efisiensi propeller dinyatakan dengan sebagai perbandingan kerja yang berguna untuk menggerakan kapal dengan kerja yang diberikan propeller.
Dengan adanya percepatan air a yang terdorong kebelakang kapal menyebabkan efisiensi ( = 100 % maka  a  =  0 . Berarti air tidak dipercepat yang menyebabkan tidak ada gaya dorong yang diberikan oleh propeller kepada kapal.
Kemungkinan untuk memperbesar efisiensi adalah dengan memperkecil percepatan arus slip. Hal ini dilakukan dengan mamakai propeller dengan diameter besar dan diputar selambat mungkin. Dari segi teori momentum , baling-baling disamakan dengan jenis propulsi jet karena arus slip yang dipercepat kebelakang merupakan arus jet.
   
3. Teori Elemen Daun Propeller kapal
Teori elemen daun memakai cara penjumlahan gaya-gaya dan momen-momen yang timbul pada setiap potongan melintang daun (aerofil) sepanjang radius baling-baling. Sebuah daun propeller yang dipotong membentuk aerofil ini bergerak diair dengan kecepatan V dengan suatu sudut pengaruh terhadap arah geraknya.
Pada permukaan punggung aerofil tekananya rendah , sedang pada bagaian bawah aerofil tekananya tinggi . Akibatnya timbul efek isapan kearah pungung aerofil. Resultan dari gaya-gaya tekanan iniadalah Fn. Akibat gesekan , muncul pula gaya Ft. Resultan dari gaya Ft dan Fn  adalah F. Arah Ft tegak lurus terhadap permukaan kerja aerofil sedang arah Ft tegak lurus arah Fn.
Gaya F diurai menjadi lift tegak lurus ( gaya angkat ) dan drag ( gaya penahan ). Arah lift tegak lurus dengan arah gerak aerofil sedang  sedang arah drag tegak lurus terhadap arah lift. Besarnya lift dan drag propeller dinyatakan sebagai berikut ;
Lift : dL     = C1 ½p V 2  dA
        Drag : dD  =  Cd . ½p   V
Diaman    :  
C1     =    Koefisien lift ; CD  = Koefisien Drag;
Cd    =    densitas fluida ; V  =Kecepatan aliran fluida ;
A    =    Luas daerah permukaan aerofil
Kemudian lift dan drag diuraikan kearah tranlasi ( ke arah maju kapal dan kearah tegak lurus terhadap arah maju kapal ) menimbulkan gaya dorong / thrust ( sesuai arah maju kapal ) dan gaya torsi / torque ( arahnya tegak lurus arah gerak maju kapal ).
Besarnya thrust dan torque propeller dinyatakan sebagai berikut.
        DT    = dL . cos B – dD . sin B
        DQ    = (dL . sin B + dD . cos B ) r
        Thrust    : T = Z S R rH dQ . dR
        Torque : Q = Z S R rH dQ . dR
T    = thrust / gaya dorong ; Q = Torsi / Torque
Z    = Jumlah daun baling-baling ; R = jari-jari propeller
r    = jari-jari propeller sampai pada penampang yang ditinjau
rH    = jari-jari hub
Hal-hal yang harus dipelajari dan diperkirakan dengan sebaik-baiknya untuk memperhitungkan besar thrust dan torqoe dengan sempurna adalah Air yang melalui aerofil (sebagai bagaian dari baling – baling ) telah mendapatkan percepatan seperti telah diterangkan pada teori mpmentum.
Gaya-gaya yang bekerja pada daun berubah karena letak karena letak daun berikutnya saling berdekatan.
4. Teori Sirkulasi propeller kapal
Teori sirkulasi didasarkan pada konsep bahwa gaya angkat yang ditimbulkan propeller disebabkan oleh adanya aliran sirkulasi yang terjadi disekeliling daun. Aliran sirkulasi menyebabkan penurunan tekanan pada punggung daun serta kenaikan kecepatan  Setempat dan kenaikan tekanan pada sisi muka daun dan penurunan kecepatan setempat.

Kecepatan fluida terhadap elemen daun merupakan penjumlahan dari kecepatan tranlasi dan kecepatan sirkulasi.
Besarnya gaya angkat dari gaya tahan dinyatakan sebagai berikut :
dL    = ( . V G . ( . dr
DD    = CD ( ½ . ( . VG 2  ) c . dr
VG    = Kecepatan fluida ; (  =  sirkulasi ; c  =  filamen pusaran;
 Dr    = lebar penampang daun ; CD = Koefisien drag;
P    = densitas fluida
Menurut teori ini diperhitungkan untuk merencanakan propeller dapat dilakukan dengan dua cara :
Perhitungan untuk mencari geometri propeller terbaik
Perhitungan untuk  mengetahui karakter propeller yang sudah diketahui geometrinya.
5 Efisiensi propeller
Adanya kerugian – kerugian tenaga pada propelle menentukan efisiensi propeller. Ada empat macam efisiensi propeller.
Efisiensi lambung / hull efisiensi,  Propeller bekerja menghasilkan gaya dorong pada badan kapal ( thrust T ) pada suatu kecepatan aliran air VA yang memasuki budang piringan atau diskus propeller. Akibatnya , kapal begerak pada kecepatan Vs. Hasil perkalian T . VA merupakan tenaga kuda yang diberikan baling-baling / propeller yang berwujud sebagai gaya dorong. Hasil itu disebut  Thrust Horse Power ( THP ).
Hasil perkalin tahanan total kapal RT dengan kecepatan kapal Vs merupakan tenaga kuda efektif kapal . Hasil perkalian tahanan total  ini disebut efektif horse power ( EHP ).
Harga perbandingan EHP dengan THP disebut  hull efisiensi / efisiensi lambung  / efisiensi badan kapal.
Hull effisiensi  = e h = EHP  = ( 1 – t )                    THP     ( 1 – w )         t    = thrust deduction ; w  = wake faction menurut Taylor     Harga eh biasanya lebih dari satu sebab untuk kapal – kapal type biasa dan berbaling baling tunggal harga w lebih dari t merupakan fungsi dari w.
   
6. Effisiensi Baling-baling / Propeller Effisiensi
Kerigian energi baling – baling disebabkan  oleh dua factor utama, yaitu :
Kerugian akibat sejumlah massa yang bergerak berputar kebelakang. Energi dihabiskan akibat geseka-gesekan dari partikel air itu sendiri . Kerugian ini dapat dikurangi dengan mempergunakan system putaran lambat pada massa air yang banyak. Jadi, dipergunakan baling-baling dengan diameter besar dengan jumlah putaran yang lambat. Meskipun demikian baling-baling dengan diameter sebesar bagaimanapun tidak akan mempunyai effisiensi lebih dari 70 %.
Kerugian karena adanya daya tahan  pada daun propeller sewaktu bergerak didalam air. Hal ini disebabkan oleh viskositas air dan gesekan air pada daun tersebut . Kerugian ini dikurangi denganmempergunakan daun propeller yang sempit. Dengan mempersempit luas tiap daun maka luas permukaan daun berkurang. Untuk mendapat luasan permukaan daun total yang sama seperti sebelum daun dipersempit maka jumlah daun ditambah tetapi effisiensi daun berkurang.
Menurut hasil percobaan ditangki percobaan, Hanya sedikit exit perbedaan effisiensi pada propeller berdaun tiga dengan empat dan antara empat dengan lima. Effisiensi akan berkurang dengan bertambahnya jumlah daun propeller Z.Keuntungan daun propeller berdaun banyak  untuk mengurangi getaran kapal yang ditimbulkan oleh propeller terutama pada besar dengan propeller tunggal.
Propeller effisiensi didefinisikan sebagai berikut :
     Ep    = T H P
            D H P
DHP ( Delivered horse power ) yaitu tenaga kuda yang ditranmisikan dari poros kepropeller. DHP diukur dengan percobaan open water test. Propeller diciba tanpa dipasang pada model kapal. Besarnya  DHP ini berbeda dengan DHP sesungguhnya./ Perbandingan antara kedua DHP yang berbeda tersebut menghasilkan relative rotative efficiency ( err).
7. Propulsive Coefficient ( PC )
Propulsive coefficiency adalah harga perbandingan antara  EHP ( dari bahan kapal tanpa adanya tonjolan – tonjolan dan kelonggaran – kelonggaran lain) dengan BHP untuk motor diesel dan SHP ( shaft horse power / daya yang disalurkanmesin ke poros ) untuk kapal –kapal turbin.
    PC    = EHP ;   PC  = EHP             BHP           SHP


8. Relative Rotative Efficiently    
Quasi Propulsive Coefficient     ( QPC ) adalah nilai koeffisien yang dipergunakan untuk menjaga agar nilai PC tidak berubah akibat berubahnya effisiensi mekanis mesin induk.Nilai QPC ini menggantikan nilai PC.     Harga PC lebih besar dari nilai hasil perkalian eh dengan ep. Hal ini disebabkan timbunya factor yang disebut Relative Rotative Efficiency ( err ) sehinga nilai PC menjadi QPC , QPC  = eh. Ep. Err.

Hal tersebut berlaku dalam  percobaan self Propuled. Percobaan ini adalah percobaan model kapal yang   dilengkapi dengan model balong-baling  dan dapat bergerak sendiri ditangki percobaan sesuai  kecepatan yang ditentukan. Model kapal mempergunakan propeller tunggal. Harga propeller effisiensi pada open water test ep, harga wake dan harga thrust deducation diikutsertankan  dalam  perhitngan.
 Dalam perencanaan propeller  sebaiknya nilai err yang dipakai tidak lebih dari 1,03 dengan mengabaikan apakah ada tonjolan – tonjolan  ( tiang kemudi ; bagain depan kemudi yang dipasang dibelakang atau dimuka propeller.
9. Kavitasi propeller
Secara singkat kavitasi adalha pembentukan gelembung –gelembung pada permukaan daun. Sering terjadi pada bagaian belakang permukaan daun / back side. Kavitasi baru diketahui tahun 1890 oleh charles parson ( inggris ) dari pengalamanya mengenai perahu-perahu kecepatan tinggi. Peristiwa itu ia buktikan pada kapal turbin.


Apabila tekanan pada permukaan pungung daun dikurangi sampai suatu harga dibawah tekanan statis fluida maka akan menyebabkan tekanan daun menjadi negatif. Pada kenyataanya tekanan negatif tidak dapat terjadi. Hal ini menyebabkan suatu reaksi lain. Fluida meninggalkan permukaan daun kemudian membentuk gelembung-gelembung / kavitasi . Gelembung – gelembung ini berisi udara atau uap air. Gelembung-gelembung terjadi ditempat puncak lengkungan tekanan rendah.

Gelembung – gelembung yang terjadi akan melintasi dan menyusur permukaan daun sampai kebelakang daun dan akan hancur pada daerah yang tekananya tinggi disbanding tekanan yang terjadi pada permukaan punggung  daun. Gaya yang terjadi pada proses penghancuran gelembung-gelembung ini kecil tetapi luas permukaan yang dipengaruhi oleh gaya ini lebih kecil disbanding gaya yang mempengaruhinya sehingga akan timbul tekanan yang besar berwujud letusan. Gaya letusan ini menyebabkan ratique / lelah pada daun.

Teori lain menyatakan bahwa peletusan atau penghancuran gelembng-gelembung tidak terjadi. Hal ini terjadi adalah gelembung tdi mengecil sampai sangat kecil dan bertekanan sangat tinggi. Tekanan yang sangat tinggi ini menyebabkan ratique pada permukaan daun.

Peletusan gelembng kavitasi dapat dikurangi dengan menghindari adanya puncak tekanan rendah yang menyolok pada punggung permukaan daun. Tekanan rendah yang terjadidapat diperbaiki dan puncak yang menyolok dapat diratakan dengan mengurangi beban permukaan daun. Jadi, dengan memperluas permukaan daun dapat mengurangi kavitasi.
- Akibat yang Ditimbulkan Oleh Kavitas propeller
Timbul erosi dan getaran  yang menyababkan daun retak. Erosi disebabkan oleh aksi mekanis terbentuknya dan terurainya gelembung-gelembung kavitasi.
Effisiensi turun. Hal ini disebabkan oleh sifat dari bentuk aerofil tidak dapat lagi menghasilkan gaya propulsi.
- Pencegahan Kavitasi propeller
Menambah luas daun baling baling dengan cara memperbesar tiap daunya Hal ini dilakukan untuk mengurangi beban yang dialami oleh daun setiap luas.
Mempergunakan type irisan daun yang dapat mengurangi terjadinya puncak tekanan rendah yang menyolok dipermukaan punggung daun. Juga diusahakan agar tekanan rendah yang terjadi dipermukaan daun dapat serat mungkin.
Terowongan kavitasi dipergunakan untuk mempelajari kavitasi. Cara kerjanya  sama dengan terowongan angin yang dipakai untuk keperluan aeronautika. Model baling-baling ditempatkan dalam terowongan yang berisi air dengan tekanan fluida yang dapat diatur sehinga model propeller seolah-olah bekerja sesuai dengan kerja propeller yang sebenarnya.
Air diputar sepanjang terowongan tertutup. Model propeller yang diuji ditempatkan didalam terowongan dan kecepatan propeller diatur. Model propeller ini dipantau melalui jendela kaca disisi terowongan.
Dengan memperguanakan terowongan ini , haraga thrust, torque, effisiensi baling-baling pada berbagai harga slip dan perihal kavitasinya dapat diketahui .    Yang penting adalah mengetahui kapan kavitasi  mulai terjadi. Hal ini dilihat melalui jendela kaca pemeriksaan.
Melalui jendela kaca , baling-baling terlihat seolah diam tidak berputar. Ditempat baling-baling  dipasang lampu  Stroboskopik yang bersinar dan padam  secara bergantian setiap satu kali putaran baling-baling terlihat seolah diam. Terowongan ini dapat juga dipakai pada keadaan tidak berkavitasi.