DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM PROPULSI DAN SISTEM … · • Diperoleh komponen sistem propulsi kapal...
Transcript of DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM PROPULSI DAN SISTEM … · • Diperoleh komponen sistem propulsi kapal...
DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM PROPULSI DAN STAND ALONE SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL
M. Dakka Krisma Dwikade 2109 106 006
Dosen Pembimbing: Arif Wahjudi, ST., MT., Ph.D.
Hendro Nurhadi, Dpil-Ing., Ph.D.
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Tegnologi Industri
Institut Tegnologi Sepuluh Nopember Surabaya
LATAR BELAKANG
Kenapa sistem propulsi??
Belum dilakukan penelitian sebelumnya
Ketergantungan produk
Dalam cakupan teknik mesin
Penelitian Sebelumnya
• Firmansyah (2012) telah melakukan penelitian mengenai desain sistem propulsi berupa pemilihan propeller jenis CPP (Controllable Pitch Propeller) berdasarkan metode B-Screw Series, pemilihan spesifikasi prime mover dan sistem transmisi pada kapal Offshore Patrol Vessel 80.
• Dullens (2009) telah melakukan penelitian mengenai pemodelan matemaika komponen propeller type CPP (Controllable Pitch Propeller) berupa linear aktuator, servo hidrolik, makanisme CPP
RUMUSAN MASALAH SISTEM KONTROL PROPULSI SISTEM PROPULSI
Bagaimana menentukan pemilihan komponen prime mover, transmission, dan propeller berikut analisa pemilihannya?
Bagaimana memodelkan dan mendesain kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal ??
BATASAN MASALAH • Desain sistem propulsi berupa pemilihan spesifikasi prime mover,
transmisi, dan propeller • Prime mover berupa diesel engine, transmisi berupa redustion
gerabox, dan propeller berupa cotrollable pitch propeller • Desain sistem kontrol propulsi berupa Stand alone system • Input kecepatan propeller dan pitch propeller • Output kecepatan propeller, pitch propeller, dan kecepatan kapal • Kondisi perairan dan gelombang laut diabaikan • Simulasi dilakukan pada kondisi kondisi operasional kapal ahead • Analisa simulasi pada sistem kontrol kecepatan propeller dan
kontrol pitch propeller
TUJUAN DAN MANFAAT SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL SISTEM PROPULSI KAPAL
Memperoleh jenis komponen prime mover, transmission, dan propeller
Memperoleh desain dan model kontrol kecepatan propeller, pitch propeller, dan platform kapal dengan keluaran kecepatan kapal
SEKILAS TENTANG
SISTEM PROPULSI KAPAL [1]
PROPELLER SISTEM TRANSMISI PRIME MOVER
Controllable Pitch Propeller (CPP) Fixed Pitch Propeller (FPP)
Direct Drive Geared Drive Electrical Drive
Diesel Engine Turbin
SEKILAS TENTANG
SISTEM PROPULSI KAPAL [2]
Rt
Vs EHP
DHP SHP BHPscr BHPmcr
Interaksi Propeller dan Lambung Kapal
Kt – Kq - J
SEKILAS TENTANG
SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [1]
CPP Diesel Engine Pitch Control Speed Control
Platform Interaksi propeller dan lambung kapal untuk mencapai kecepatan servis
SEKILAS TENTANG
SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [2] Konsep pengontrolan pitch
SEKILAS TENTANG
SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL [3] Konsep pengontrolan speed
m fuel
METODOLOGI PENELITIAN [1]
• Diagram Alir Penelitian • Kriteria Desain • Konsep Desain
Kriteria Desain
• Misi kapal adalah kapal cepat patroli. • Kecepatan desain kapal yang diinginkan adalah 30
knots. • Kontrol yang akan diimplementasikan adalah stand
alone system sehingga masing – masing propulsi memiliki kontrol yang berdiri sendiri. Dimana antara satu propulsi dan propulsi yang lain bergerak sama.
• Input yang digunakan pada sistem kontrol ini adalah pitch dan kecepatan mesin yang diinginkan dengan keluaran kecepatan kapal.
• Kriteria sistem kontrol dengan settling time pitch propeller dan kecepatan propeller kurang dari 23 s.
Konsep Desain
Sistem propulsi dan stand alone sistem kontrol propulsi dengan diesel engine sebagai prime mover, reduction gearbox sebagai transmission, dan controllable pitch propeller (cpp) sebagai propeller.
DESAIN SISTEM PROPULSI KAPAL
Pemilihan Prime Mover [1] Langkah Pemilihan: a. Perhitungan Delivered Horse Power (DHP)
b. Perhitungan Shaft Horse Power (SHP)
c. Perhitungan Brake Horse Power service continuous rating (BHPscr)
d. Perhitungan Brake Horse Power maximum continuous rating (BHPmcr)
𝐷𝐷𝐷 =𝐸𝐷𝐷𝐷𝑃
𝑆𝐷𝐷 =𝐷𝐷𝐷𝜂𝜂𝜂𝜂
𝐵𝐷𝐷 𝑆𝑆𝑆 =𝑆𝐷𝐷ηG
𝐵𝐷𝐷 𝑀𝑆𝑆 =𝐵𝐷𝐷 𝑆𝑆𝑆
0,85
Pemilihan Prime Mover [2]
Prime Mover Type : S.M.E.T. Pielstick 18 PC4-2B Daya : 23850 kW Kecepatan mesin : 600 rpm
BHPMCR = 62127,54 hp = 46285,02 kW
Karena twin screw propeller maka, daya masing – masing engine Adalah 23142,5 kW
Pemilihan Propeller Langkah Pemilihan:
a. Menentukan Power Absorbtion (BP)
b. Pembacaan diagram BP-1
c. Menentukan nilai P/D dan δ0 dari pembacaan diagram BP-δ.
d. Menentukan nilai diameter optimum (DO) dari pembacaan diagram BP-δ.
e. Menentukan nilai Pitch Propeller (PO)
f. Menentukan nilai diameter behind ship (DB)
g. Menentukan nilai δB
h. Menghitung nilai (P/D)B
i. Menentukan efisiensi masing – masing type propeler
Pemilihan Propeller [1]
B5-45 B5-60 B5-75 B5-90 B5-105
N. Engine (rpm) 600,000 600,000 600,000 600,000 600,000N. Propeller (rpm) 288,184 288,184 288,184 288,184 288,184Pd (kW) 18892,160 18892,160 18892,160 18892,160 18892,160Vs (knot) 30,000 30,000 30,000 30,000 30,000Va (knot) 24,750 24,750 24,750 24,750 24,750Bp 15,287 15,287 15,287 15,287 15,2870,7139(Bp^2) 0,680 0,680 0,680 0,680 0,680(P/D)o 0,965 0,945 0,950 0,980 1,0301/Jo 1,465 1,490 1,490 1,465 1,430δo 148,354 150,886 150,886 148,354 144,810Do (feet) 12,741 12,958 12,958 12,741 12,437Db (feet) 12,104 12,311 12,311 12,104 11,815(P/D)b 1,005 0,975 0,980 1,015 1,0651/Jb 1,392 1,416 1,416 1,392 1,359δb 140,937 143,342 143,342 140,937 137,570η 0,650 0,657 0,655 0,645 0,631
Unit Type Propeller
Pemilihan propeller B Screw Series
Pemilihan Propeller [2] Propeller Type propeller : B screw series Jumlah blade : 5 Ae/Ao : 0,6 Diameter : 12,311 feet = 3,752 m N. Propeller : 288,184 rpm Dengan pertimbangan memiliki efisiensi terbesar yaitu 65,7%.
Analisa Engine Propeller [1]
Diagramn koefisien thrust VS koefisien advance
Analisa Engine Propeller [2] Pembacaan koefisien thrust, koefisien torque, Koefisien advance Pada diagram open water
Analisa Engine Propeller [3] Diagram beban propeller pada kondisi trial
Analisa Engine Propeller [4] Diagram beban propeller pada kondisi service
DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM KONTROL PROPULSI KAPAL
Konsep Desain Kontrol
Pemodelan Matematis [1] Kontrol pitch propeller
Servo valve Servomotor hidrolika Crank
𝐼(𝜂)𝐸(𝜂) =
1𝐿𝜂 + 𝑅
𝑋 𝜂𝐼 𝜂 =
𝐵𝐵𝑀𝜂2 + 𝐶𝜂 + 𝑘
𝑌(𝜂)𝑋(𝜂) =
𝐾𝜂
𝜃(𝜂)𝑦(𝜂) =
1𝑟
Pemodelan Matematis [2] Kontrol kecepatan propeller
𝐼(𝜂)𝐸(𝜂) =
1𝐿𝜂 + 𝑅
Servo valve Servomotor hidrolika Diesel engine
𝑋 𝜂𝐼 𝜂 =
𝐵𝐵𝑀𝜂2 + 𝐶𝜂 + 𝑘
𝑌(𝜂)𝑋(𝜂) =
𝐾𝜂 𝑛 𝜂 =
𝐶1. �̇� 𝜂1 + 𝜏1. 𝜂 �̇� −
𝐶2𝐶1𝑇𝐿
Pemodelan Matematis [3] Torsi propeller
𝐽 =𝑉𝑉𝑛.𝐷 𝑄 = 𝐾𝑄.𝜌.𝑁2.𝐷5
Koefisien Advance Grafik Kq Propeller torque
𝐾𝑄 = 𝑓(𝐷 𝐷� , 𝐽)
𝐾𝑄 = 𝑄1 𝐷 𝐷� + 𝑄2.𝐽 𝐽 = 𝑄3𝑉𝑉 + 𝑄4.𝑛 𝑄 = 𝑄5𝐾𝑄 + 𝑄6𝑛
Pemodelan Matematis [4] Gaya dorong propeller
𝐾𝑇 = 𝑓(𝐷 𝐷� , 𝐽) 𝐽 =𝑉𝑉𝑛.𝐷 𝑇 = 𝐾𝑇 .𝜌. 𝑛2.𝐷4
Koefisien Advance Grafik Koefisien Trust Propeller Thrust Thrust Deduction Factor
𝐾𝑇 = 𝑇1 𝐷 𝐷� + 𝑇2.𝐽 𝐽 = 𝑇3𝑉𝑉 + 𝑇4.𝑛 𝑇 = 𝑇5𝐾𝑇 + 𝑇6𝑛
𝑇𝐸𝑇𝑃
= 𝑡
Pemodelan Matematis [5] Dinamika kapal
𝑇 − 𝑅 = 𝑚. 𝑉
Kecepatan Kapal Kecepatan Advance
𝑉𝑉𝑉 = (1 −𝑤)
Desain Kontrol Sistem Propulsi
Pemodelan Matlab-Simulink [1] Kontrol pitch propeller
Pemodelan Matlab-Simulink [2] Kontrol kecepatan propeller
Pemodelan Matlab-Simulink [3] Kontrol torsi propeller
Pemodelan Matlab-Simulink [4] Kontrol gaya dorong propeller
Pemodelan Matlab-Simulink [5] Kontrol dinamika kapal
ANALISA DAN PEMBAHASAN
Simulasi Loop Terbuka [1] Kontrol pitch propeller
Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang
diinginkan
Input: - Unit step pada kondisi
operasional pitch propeller 0,975
Simulasi Loop Terbuka [2] Kontrol kecepatan propeller
Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang
diinginkan
Input: - Unit step pada kondisi
operasional kecepatan propeller 4,8 m/s
Simulasi Loop Terbuka [3] Kontrol sistem propulsi
Output: - Nilai terus meningkat - Tidak mampu mencapai setpoint yang
diinginkan
Input: - Unit step pada kondisi
operasional pitch propeller 0,975
- Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 0,975
Simulasi Loop Tertutup [1] Kontrol pitch propeller
Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang
diinginkan
Input: - Unit step pada kondisi
operasional pitch propeller 0,975
Watak Respon PID
Settling time 2,09 s
Rise time 1,12 s
Overshot 0,886 %
Steady state error 0,01
Simulasi Loop Tertutup [2] Kontrol kecepatan propeller
Watak Respon PID
Settling time 19 s
Rise time 11,8 s
Overshot 0,835 %
Steady state error 0,03
Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang
diinginkan
Input: - Unit step pada kondisi
operasional kecepatan propeller 4,8 m/s
Simulasi Loop Tertutup [3] Kontrol sistem propulsi
Watak Respon
Settling time 30,61 s
Rise time 15 s
Overshot 0 %
Steady state error 0
Output: - Settling time memenuhi kriteria desain - Mampu mencapai setpoint yang
diinginkan
Input: - Unit step pada kondisi
operasional pitch propeller 0,975
- Unit step pada kondisi operasional kecepatan propeller 4,8 m/s
Analisa Kestabilan Sistem[1] Transfer fuction plant kontrol pitch propeller
Pole – pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria kestabilan sistem stabil jika K<169 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±86,1
Transfer fuction plant dan controller dengan unity feedback
Analisa Kestabilan Sistem[2] Transfer fuction plant kontrol kecepatan propeller
Pole – pole berada di kiri bidang S, sistem stabil dengan kriteria kestabilan sistem stabil jika K<0,69 berdasarkan perpotongan sumbu imajiner di ω= ±5,87
Transfer fuction plant dan controller dengan unity feedback
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan • Diperoleh komponen sistem propulsi kapal mesin diesel 2x23850
kW, gearbox rasio 2,082, dan controllable pitch propeller type screw series B5-60 dengan diameter 3,752 m. Kondisi operasional kapal pada kecepatan 30 knot didapatkan pada P/D 0,975 dan n 4,8 m/s.
• Diperoleh pemodelan sistem kontrol kecepatan kapal dan simulasi dengan nilai settling time memenuhi kriteria desain yaitu 19 s.
• Diperoleh pemodelan sistem kontrol pitch propeller dan simulasi dengan nilai settling time memenuhi kriteria desain yaitu 2,09 s.
• Diperoleh pemodelan sistem kontrol propulsi dan simulasi memenuhi kriteria desain kecepatan kapal 30 knots dengan settling time 30,61 s
Saran
Pengembangan selanjutnya dapat dilakukan pemodelan kurva kombinasi pitch dan propeller sehingga didapatkan suatu sistem kontrol propulsi dengan masukan kecepatan kapal dan keluaran kecepatan kapal pada kondisi ahead dan astern dengan disturbance berupa gangguan laut.
Matur Nuwun Thanks You شكرا
谢谢
ありがとう Cпасибо
Dank u
¡gracias
धन्यवा