Dalam merencanakan propeller kapal terdapat berbagai teori sebagai landasannya, 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 per menit maka dalam satu menit roda baling – baling akan bergerak sejauh n kali P. Propeller kapal tersebut dalam satu kisaran sebenarnya 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 – baling adalah :
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 %). Hal 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.
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 dari viskositas air setelah melalui propeller. Hal inimenyebabkan 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 tekanannya tinggi. Akibatnya timbul efek isapan kearah pungung aerofil. Resultan dari gaya-gaya tekanan ini adalah 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 lurusdengan 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
Dimana :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 . d
RT = thrust / gaya dorong ;
Q = Torsi / Torque
Z = Jumlah daun baling-baling ;
R = jari-jari propeller
r = jari-jari propeller sampai pada penampang yang ditinjau.
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 momentum. 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 olehadanya 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 perkalian 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 = wakefaction menurut Taylor, Harga eh biasanya lebih dari satu sebab untuk kapal – kapal type biasa danberbaling baling tunggal harga w lebih dari t merupakan fungsi dari w.
6. Effisiensi Baling-baling / Propeller Effisiensi
Kerugian energi baling – baling disebabkan oleh dua faktor utama, yaitu :
- Kerugian akibat sejumlah massa yang bergerak berputar kebelakang. Energi dihabiskan akibat gesekan-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 dengan mempergunakan 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.
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 tersebutmenghasilkan 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 disalurkan mesin 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 faktor 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 diikutsertakan dalam perhitngan. Dalam perencanaan propeller sebaiknya nilai err yang dipakai tidak lebih dari 1,03 dengan mengabaikan apakah ada tonjolan – tonjolan ( tiang kemudi ; bagian depan kemudi yang dipasang dibelakang atau dimuka propeller.
9. Kavitasi propeller
Secara singkat kavitasi adalah 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 dibanding 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 dibanding gaya yang mempengaruhinya sehingga akan timbul tekanan yang besar berwujud letusan. Gaya letusan ini menyebabkan fatique / lelah pada daun.
Teori lain menyatakan bahwa peletusan atau penghancuran gelembung-gelembung tidak terjadi. Hal ini terjadi adalah gelembung tadi mengecil sampai sangat kecil dan bertekanan sangat tinggi. Tekanan yang sangat tinggi ini menyebabkan fatique pada permukaan daun. Peletusan gelembung kavitasi dapat dikurangi dengan menghindari adanya puncak tekanan rendah yang menyolok pada punggung permukaan daun. Tekanan rendah yang terjadi dapat diperbaiki dan puncak yang menyolok dapat diratakan dengan mengurangi beban permukaan daun. Jadi, dengan memperluas permukaan daun dapat mengurangi kavitasi.–
-
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.
- 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 mempergunakan terowongan ini, harga 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.
Read more : Penyebab kavitasi propeller dan reparasi propeller kapal
