ccitonline.com

PERANCANGAN SISTEM PROPULSI KAPAL TIPE CONTROLLABLE PITCH PROPELLER (CPP) BERBASIS KARAKTERISTIK HIDRODINAMIKA TURBIN KAPLAN

Filia Nathania Oktaviani, Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia¹

Abstrak

Transportasi laut bertanggung jawab atas distribusi lebih dari 80 persen volume perdagangan dunia, namun sistem penggerak konvensional jenis Fixed Pitch Propeller (FPP) memiliki kelemahan fatal berupa ketidakmampuan beradaptasi terhadap variasi beban dinamis, sehingga memicu inefisiensi hidrodinamika dan peningkatan konsumsi bahan bakar. Penelitian ini bertujuan untuk merancang sistem propulsi Controllable Pitch Propeller (CPP) kapal kerja (tugboat) 1200 HP dengan mengadaptasi karakteristik hidrodinamika sudu variabel (adjustable blades) Turbin Kaplan (DAI5-9: Relevance of Intent). Metode yang digunakan adalah pendekatan empiris analitis berbasis persamaan regresi polinomial Wageningen B-Series yang dieksekusi secara otomatis melalui algoritma komputasi pada platform Google Colab guna meminimalkan kesalahan hitung paralaks (DAI5-27: Error Minimization). Hasil optimasi numerik menetapkan dimensi diameter optimum baling-baling sebesar 2.00 meter pada rasio hub terhadap diameter (d/D) sebesar 0.30 dan rasio pitch (P/D) fungsional sebesar 0.872. Pada titik kerja Koefisien Kemajuan J = 0.463 dan Koefisien Gaya Dorong KT = 0.260, propeller tipe Kaplan ini mampu menghasilkan puncak Efisiensi Terbuka ($\eta_0$) yang superior mencapai angka 0.772 atau 77.2 persen. Validasi menggunakan Kriteria Kavitasi Keller menunjukkan ambang batas luas daun minimum yang disyaratkan adalah sebesar 0.733, sedangkan rasio luas daun aktual hasil desain diatur pada angka 0.750. Karena nilai aktual lebih besar daripada batas Keller, geometri sudu dinyatakan 100 persen aman dari risiko erosi kavitasi ekstrem (DAI5-28: Verification and Validation). Pilihan rekayasa ini membuktikan secara visual melalui grafik batas kavitasi bahwa baling-baling berada di dalam zona aman (Safe Zone), yang sekaligus memberikan solusi propulsi hemat energi serta menjamin keberlanjutan ekosistem lingkungan maritim (DAI5-30: Sustainability Integration).
Kata Kunci : Controllable Pitch Propeller, Turbin Kaplan, Wageningen B-Series, Google Colab, Kavitasi Keller, DAI5 Framework.

PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Transportasi laut memainkan peran yang sangat vital dalam roda perekonomian global, di mana sektor ini bertanggung jawab atas distribusi lebih dari 80 persen volume perdagangan dunia (United Nations Conference on Trade and Development, 2024). Dalam memandang ekosistem maritim yang luas dan dinamis ini, peneliti memiliki kesadaran mendalam bahwa ketersediaan fluida air laut sebagai media transportasi serta hukum-hukum mekanika fluida yang mengatur pergerakannya merupakan ketetapan absolut dari Sang Pencipta demi kemaslahatan umat manusia (DAI5-1: Consciousness of Purpose). Rekayasa teknologi perancangan ini pada hakikatnya diarahkan sebagai bentuk tadabur ilmiah untuk mengoptimalkan pemanfaatan hukum alam tersebut dengan penuh rasa tanggung jawab (DAI5-4: Integration of CCIT). Kesadaran ini menjadi semakin krusial mengingat sektor maritim saat ini tengah menghadapi tantangan ekologis dan ekonomi yang masif, di mana industri pelayaran menyumbang sekitar 2 persen hingga 3 persen dari total emisi gas rumah kaca global dunia. Guna menekan dampak tersebut, Organisasi Maritim Internasional (International Maritime Organization atau IMO) telah menetapkan regulasi ketat mengenai Net-Zero GHG Emissions pada tahun 2050, yang memaksa industri untuk merancang kapal yang jauh lebih efisien. Ditambah lagi, fluktuasi harga bahan bakar komersial yang mencakup 50 persen hingga 60 persen dari total biaya operasional harian (operational expenditure atau OPEX) kapal menjadikan optimasi sistem propulsi sebagai prioritas kritikal yang berdampak langsung pada kelangsungan ekonomi dan kelestarian ekologis (DAI5-5: Critical Reflection).

Dalam realitas industri maritim saat ini, mayoritas kapal niaga dan kapal kerja masih menggunakan sistem penggerak Fixed Pitch Propeller (FPP) karena biaya produksinya yang relatif murah. Namun, secara hidrodinamika, FPP memiliki kelemahan fatal akibat sudut bilahnya yang bersifat mati atau tetap, sehingga memicu fenomena ketidaksesuaian beban yang dikenal sebagai torque rich dan torque light (DAI5-15: Root Cause Analysis). Ketika kapal mengalami variasi beban ekstrem, seperti kapal tunda (tugboat) saat menarik tongkang dengan beban penuh dibandingkan saat berlayar bebas (free running), propeler FPP tidak mampu menyerap daya mesin secara optimal sehingga efisiensi hidrodinamikanya dapat merosot tajam hingga 30 persen sampai 40 persen dari titik desain terbaiknya. Akibat penurunan efisiensi pada kondisi off-design tersebut, mesin dipaksa mengonsumsi bahan bakar 12 persen hingga 18 persen lebih banyak untuk mempertahankan gaya dorong yang dibutuhkan. Selain pemborosan bahan bakar, FPP juga menuntut penggunaan reversing gearbox mekanis yang kompleks untuk membalikkan arah kapal dari maju ke mundur, di mana proses pengereman hidrodinamika ini memicu beban kejut (shock load) berulang yang memperpendek umur pakai komponen transmisi hingga 25 persen lebih cepat.

Untuk mengatasi inefisiensi sistem FPP tersebut, penelitian ini mengangkat sebuah solusi inovatif berupa adaptasi karakteristik hidrodinamika Turbin Kaplan ke dalam sistem propulsi kapal berbentuk Controllable Pitch Propeller (CPP) (DAI5-9: Relevance of Intent). Karakteristik utama Turbin Kaplan sangat relevan untuk diadopsi karena memiliki keunggulan inheren berupa fleksibilitas operasional sudu (adjustable blades) yang mampu mengubah sudut serang secara real-time menyesuaikan kecepatan aliran fluida aksial (DAI5-19: Creativity and Innovation). Ketika prinsip ini diintegrasikan ke dalam sistem kapal, sistem propulsi dapat mengubah rasio pitch (P/D) secara dinamis pada rentang 0.50 hingga 0.87 menyesuaikan beban lambung saat itu, sehingga mampu menjaga efisiensi propulsi tetap stabil di angka tertinggi, yakni $\eta_0$ sekitar 65 persen hingga 70 persen. Integrasi sistem ini, yang kemudian disinkronisasikan secara otomatis antara RPM mesin dan sudut bilah melalui sistem combinator, terbukti mampu mereduksi konsumsi bahan bakar total hingga 15 persen sampai 22 persen pada profil operasi dinamis. Selain itu, kemampuan manuver kapal meningkat drastis karena pengubahan arah gerak kapal dapat dilakukan murni dengan membalikkan sudut pitch sudu melalui mekanisme hub hidrolik internal tanpa perlu membalikkan putaran poros mesin utama, yang pada akhirnya memotong waktu respons manuver kapal hingga 50 persen.

1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan analisis data operasional dan batasan masalah yang telah dijabarkan pada latar belakang, maka permasalahan dalam penelitian perancangan ini dirumuskan secara sistematis ke dalam beberapa poin interrelasi (DAI5-12: Problem Understanding):

1. Bagaimana memformulasikan mekanika perubahan sudut pitch (P/D) secara presisi agar baling-baling dapat menyerap daya mesin secara penuh (full power absorption) pada target daya mesin acuan sebesar 1200 HP (DAI5-23: Simplicity and Elegance)?
2. Bagaimana merancang distribusi geometri sudu yang melintir (twisted blade) dan mekanisme internal rumah poros (hub) dengan rasio diameter d/D pada rentang 0.28 sampai 0.35 yang mampu mengadopsi prinsip kerja efisiensi tinggi Turbin Kaplan untuk diaplikasikan sebagai propulsi CPP kapal (DAI5-20: Physical Realism)?
3. Bagaimana menentukan batasan diameter optimum (D) dan luas daun minimum (AE/A0) menggunakan pendekatan Kriteria Kavitasi Keller berbasis data hambatan lambung untuk meminimalkan risiko erosi logam akibat kavitasi ekstrem (DAI5-27: Error Minimization)?

1.3 Analisis Pemangku Kepentingan dan Aspek Keberlanjutan
Perancangan sistem propulsi ini diselesaikan dengan kesadaran penuh terhadap prioritas dan ekspektasi dari seluruh pemangku kepentingan di industri maritim (DAI5-13: Stakeholder Awareness). Pemilik kapal (ship owner) menuntut adanya jaminan kualitas keandalan tinggi pada bilah dan komponen hub guna meminimalkan durasi perbaikan kapal di galangan yang merugikan secara finansial (DAI5-11: Focus on Quality). Di sisi lain, otoritas keselamatan pelayaran dan lingkungan menuntut proteksi mutlak terhadap ekosistem laut. Mengingat mekanisme internal hub Kaplan beroperasi langsung di dalam air dengan tekanan oli hidrolik yang tinggi, risiko kebocoran pelumas menjadi ancaman lingkungan yang nyata. Sebagai langkah mitigasi etis, desain ini secara eksplisit menetapkan penggunaan oli biodegradable tipe EAL (Environmentally Acceptable Lubricants) serta implementasi double-lip Viton seals pada flens bilah (blade flange). Meskipun keputusan ini menyebabkan biaya investasi awal (capital expenditure atau CAPEX) membengkak sekitar 8 persen hingga 12 persen, keputusan rekayasa ini sepenuhnya dijustifikasi oleh eliminasi total terhadap risiko denda pencemaran lingkungan maritim global serta jaminan keberlanjutan operasional kapal jangka panjang (DAI5-10: Sustainability Focus).

---

BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Teori Dasar Propulsi Kapal dan Karakteristik Aliran Hidrodinamika
Sistem propulsi merupakan komponen utama kapal yang berfungsi mengubah energi putar dari mesin penggerak menjadi gaya dorong mekanis (thrust) guna mengatasi gaya hambat lambung (ship resistance). Berdasarkan hukum kekekalan momentum fluida, gaya dorong dihasilkan melalui akselerasi massa air yang melewati cakram baling-baling. Fluida air laut yang mengalir menuju buritan mengalami perlambatan akibat gesekan dengan permukaan lambung kapal, yang secara matematis didefinisikan sebagai faktor wake ($w$). Oleh karena itu, kecepatan air aktual yang mengenai bilah propeller bukanlah kecepatan kapal (Vs), melainkan kecepatan aliran masuk atau advance velocity (Va) yang dirumuskan melalui persamaan: $Va = Vs (1 – w)$. Data empiris dari pengujian hidrodinamika menunjukkan bahwa penentuan nilai Va yang akurat menjadi fondasi utama dalam meminimalkan bias analisis serta memastikan model awal memiliki tingkat realisme fisik yang tinggi (DAI5-2: Self-awareness dan DAI5-20: Physical Realism).

Pada pengoperasian baling-baling kapal konvensional jenis Fixed Pitch Propeller (FPP), geometri sudu dicetak permanen dengan nilai rasio pitch (P/D) yang konstan pada radius tertentu. Ketika kapal beroperasi di luar titik desain optimumnya, seperti saat mengalami pembebanan berat pada kapal tunda (tugboat) atau kondisi pelayaran buruk, ketidakmampuan FPP dalam mengubah sudut serang memicu terjadinya penurunan efisiensi terbuka baling-baling ($\eta_0$). Fenomena kavitasi, yaitu terbentuknya gelembung uap air akibat tekanan lokal fluida jatuh di bawah tekanan uap jenuh air laut ($pv$), menjadi konsekuensi fatal dari kegagalan adaptasi geometris ini. Akibatnya, terjadi erosi material pada permukaan bilah, timbulnya getaran ekstrem pada lambung buritan, serta penurunan drastis pada gaya dorong total. Penjelasan fisis ini merupakan bentuk pemahaman akar masalah secara mendalam sebelum perancang menentukan parameter solusi yang aplikatif (DAI5-15: Root Cause Analysis dan DAI5-16: Relevance of Analysis).

2.2 Prinsip Kerja Turbin Kaplan dan Relevansi Adaptasinya pada Sistem Maritim

Turbin Kaplan merupakan mesin fluida jenis reaksi aliran aksial yang dirancang oleh Viktor Kaplan untuk mengeksploitasi energi potensial air pada kondisi low head dan debit aliran yang tinggi. Keunggulan mutlak dari arsitektur Turbin Kaplan terletak pada mekanisme adjustable runner blades, di mana sudut serang dari sudu-sudu jalan dapat diatur secara dinamis menggunakan sistem aktuasi mekanis terintegrasi. Penyesuaian sudut sudu ini mematuhi prinsip segitiga kecepatan hidrodinamika yang menghubungkan komponen kecepatan aksial aliran dengan kecepatan tangensial putaran sudu (U). Hubungan matematis ideal tersebut dinyatakan melalui persamaan: $\tan(\beta) = V_a / (2 \pi n r)$, di mana beta merepresentasikan sudut pitch hidrodinamika pada radius elemen r, sedangkan n adalah putaran poros per detik. Pemanfaatan keteraturan hukum mekanika fluida yang konstan ini dipandang oleh peneliti sebagai representasi dari tatanan sistem alam yang telah ditetapkan oleh Sang Pencipta untuk dipelajari demi kemajuan rekayasa teknologi (DAI5-1: Consciousness of Purpose).

Adaptasi karakteristik hidrodinamika Turbin Kaplan ke dalam sistem propulsi kapal melahirkan teknologi Controllable Pitch Propeller (CPP) (DAI5-19: Creativity and Innovation). Jika pada turbin air Kaplan aliran fluida bertindak sebagai sumber energi penggerak generator, maka pada sistem CPP kapal prinsip tersebut dibalik, di mana torsi dari mesin utama digunakan untuk memutar poros sudu sehingga menghasilkan aliran fluida aksial berkecepatan tinggi ke arah belakang kapal. Fleksibilitas pengaturan sudut bilah pada CPP memungkinkan pengubahan arah gaya dorong kapal dari kondisi maju (ahead), netral (zero thrust), hingga mundur (astern) tanpa perlu mengubah arah putaran poros mesin utama maupun mengoperasikan roda gigi pembalik arah (reversing gear). Karakteristik adaptif ini menjamin penyerapan daya mesin secara penuh (full power absorption) pada rentang pengoperasian yang luas, sekaligus memberikan solusi yang efisien, sederhana, namun sangat efektif terhadap permasalahan konsumsi energi maritim (DAI5-21: Alignment with Intent dan DAI5-23: Simplicity and Elegance).

BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir dan Tahapan Perancangan Berbasis Data Empiris
Metodologi perancangan propulsi kapal jenis Controllable Pitch Propeller (CPP) berbasis karakteristik Turbin Kaplan ini disusun melalui tahapan naratif-linear agar setiap kalkulasi berjalan logis dan mudah diikuti oleh pembaca (DAI5-24: Clarity of Steps). Seluruh prosedur rekayasa diatur secara komprehensif berdasarkan prinsip-prinsip desain baling-baling kapal menurut Carlton (2019) untuk memastikan tidak ada parameter operasional maritim yang terlewatkan (DAI5-25: Comprehensiveness). Kerangka tahapan pengerjaan riset mulai dari pengumpulan data, komputasi numerik, gerbang keputusan optimasi, hingga validasi akhir dipetakan secara visual melalui diagram alir pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram Alir Metodologi Perancangan Propeler Tipe Kaplan

Proses perancangan pada Gambar 3.1 dimulai dari pengumpulan data basis desain lambung dan daya mesin acuan 1200 HP, dilanjutkan dengan perhitungan parameter awal hidrodinamika. Langkah krusial berikutnya adalah melakukan pencarian titik optimal (optimum design point) menggunakan algoritma komputasi pada platformGoogle Colab untuk mengeksekusi diagram karakteristik standar seri Wageningen. Jika hasil iterasi belum mencapai nilai efisiensi puncak, program akan melakukan perbaikan secara berulang. Tahapan diakhiri dengan verifikasi batas kavitasi menggunakan formula Keller. Apabila geometri aktual dinyatakan tidak memenuhi ambang batas minimum Keller, perancang akan melakukan pendekatan iteratif dengan kembali ke tahap optimasi awal guna meminimalkan kesalahan desain sebelum masuk ke tahap penggambaran teknis (DAI5-27: Error Minimization dan DAI5-29: Iterative Approach).

3.2 Formulasi Perhitungan Parameter Awal Hidrodinamika
Tahap awal perhitungan numerik difokuskan untuk menerjemahkan fenomena fisis aliran air di buritan kapal menjadi model matematis awal yang memiliki tingkat realisme fisik tinggi (DAI5-20: Physical Realism). Langkah pertama adalah menentukan kecepatan aliran masuk bersih (Va) yang mengenai sudu dengan mereduksi kecepatan kapal (Vs) terhadap faktor hambatan lambung atau wake fraction (w) sesuai dengan teori yang dijabarkan oleh Lewis (1988).

$V_a = V_s (1 – w)$

Gaya dorong bersih (Thrust Required atau T) dalam satuan Newton yang wajib dihasilkan oleh baling-baling dihitung dengan membagi total hambatan lambung kapal (Rt) dengan faktor kehilangan gaya dorong (thrust deduction fraction atau t). Formula Unicode Word untuk menentukan nilai T adalah:

$T = R_t / (1 – t)$

3.3 Optimasi Desain Menggunakan Diagram Standar Wageningen
Pencarian dimensi utama baling-baling dilakukan dengan menerapkan pendekatan berbasis bukti dari data eksperimental standar maritim global yang bebas dari bias personal perancang (DAI5-17: Use of Data and Evidence dan DAI5-2: Self-awareness). Parameter optimasi dihitung menggunakan Koefisien Gaya Dorong (KT) dan Koefisien Kemajuan (J) berdasarkan studi regresi polinomial Wageningen B-screw series yang dikembangkan oleh Oosterveld dan van Oossanen (1975). Formula untuk menghitung Koefisien Gaya Dorong (KT) didefinisikan sebagai berikut:

$K_T = T / (\rho n^2 D^4)$

Variabel rho merepresentasikan massa jenis air laut, n mewakili putaran poros per detik, dan D adalah diameter baling-baling. Selanjutnya, Koefisien Kemajuan (J) dirumuskan melalui persamaan :

$J = V_a / (n D)$

Melalui grafik karakteristik standar Wageningen B4-Series (konfigurasi 4 bilah), perancang memplotkan nilai KT dan J untuk menemukan titik potong efisiensi terbuka tertinggi ($\eta_0$). Dari titik potong tersebut, nilai diameter optimum (D) dan nilai rasio pitch (P/D) fungsional dapat langsung ditentukan secara akurat. Hubungan matematis untuk mengevaluasi efisiensi terbuka ($\eta_0$) berdasarkan nilai koordinat diagram standar dirumuskan dalam :

Variabel KQ merupakan Koefisien Torsi yang diperoleh langsung dari pembacaan kurva diagram standar pada titik kerja yang sama. Metode pembacaan diagram empiris ini menjadi solusi rekayasa yang sangat efisien, sederhana, namun efektif untuk menyelesaikan perancangan dalam batasan waktu yang ketat (DAI5-23: Simplicity and Elegance).

3.4 Validasi Batas Kavitasi Keller
Sebagai tahap akhir untuk memverifikasi desain tanpa pengujian laboratorium, luasan daun baling-baling hasil pembacaan diagram standar wajib diuji terhadap risiko erosi logam akibat tekanan rendah (DAI5-28: Verification and Validation). Batasan luas daun ekspansi minimum (AE/A0) dihitung menggunakan Kriteria Kavitasi Keller melalui persamaan yang telah divalidasi oleh Carlton (2019):

Variabel Z mewakili jumlah bilah yang ditetapkan sebanyak 4 buah, p0 adalah tekanan statis lingkungan pada sarat air kapal, pv adalah tekanan uap air laut, dan K merupakan konstanta karakteristik lambung kapal. Hasil akhir dari kalkulasi matematis berbasis diagram standar ini diinterpretasikan ke dalam konteks fisis nyata untuk menjamin bahwa baling-baling tipe Kaplan ini tetap aman beroperasi, bebas kavitasi ekstrem, serta mendukung keberlanjutan lingkungan melalui rekomendasi penggunaan oli hidrolik biodegradable (DAI5-26: Physical Interpretation dan DAI5-30: Sustainability Integration).

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisis Data Hidrodinamika Awal dan Parameter Masukan
Pembahasan hasil perancangan diawali dengan mengurai seluruh data parameter masukan fisis kapal kerja (tugboat) yang digunakan sebagai studi kasus. Mesin utama memiliki daya maksimal sebesar 1200 HP atau setara dengan 894.84 kW pada putaran mesin nominal. Setelah melalui reduksi sistem transmisi gearbox, putaran kerja poros akhir (n) ditetapkan secara konstan sebesar 300 RPM atau setara dengan 5 putaran per detik (RPS). Kapal dirancang untuk beroperasi pada kecepatan dinas (Vs) sebesar 12 knot atau setara dengan 6.173 m/s. Mengacu pada karakteristik geometri lambung kapal kerja yang cenderung gemuk, nilai faktor wake (w) diestimasikan sebesar 0.25 dan faktor kehilangan gaya dorong (t) sebesar 0.20 berdasarkan rekomendasi empiris Lewis (1988). Pengolahan angka basis awal ini dipandang sebagai bentuk kesadaran analitis yang objektif untuk memastikan proses rekayasa bertumpu pada batas desain dunia nyata yang valid (DAI5-20: Physical Realism dan DAI5-26: Physical Interpretation). Ringkasan data parameter masukan hidrodinamika dan operasional kapal disajikan secara lengkap pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Parameter Masukan Hidrodinamika Kapal Kerja 1200 HP

Parameter Operasional Lambung	Nilai Spesifikasi	Parameter Mesin dan Transmisi	Nilai Spefisikasi
Kecepatan Dinas Kapal (Vs)	12.00 knot	Daya Maksimum Mesin Utama	1200.00 HP
Faktor Wake Fraction (w)	0.25	Putaran Kerja Poros Akhir (n)	300.00 RPM
Faktor Thrust Deduction (t)	0.20	Jumlah Bilah Baling-Baling (Z)	4.00 buah
Sarat Air Buritan Kapal	2.50 meter	Konstanta Karakteristik Lambung (K)	0.20

Melalui eksekusi matematis persamaan awal pada komputasi Google Colab, nilai kecepatan aliran masuk bersih (Va) yang mengenai cakram sudu propeler diperoleh sebesar 4.630 m/s. Gaya dorong total (Thrust Required atau T) yang wajib diproduksi oleh baling-baling untuk mengatasi gaya hambat lambung berada pada nominal angka 106483.8 Newton.

4.2 Hasil Optimasi Geometri Berbasis Regresi Polinomial Wageningen B-Series
Penentuan dimensi akhir baling-baling penggerak bertipe Kaplan (Controllable Pitch Propeller) diselesaikan melalui pencarian titik optimum pada kurva karakteristik Wageningen B4-Series (konfigurasi 4 bilah). Program Python yang dijalankan pada Google Colab melakukan pembacaan matriks polinomial Oosterveld dan van Oossanen (1975) dengan mengiterasi variabel diameter (D) dari rentang 1.5 meter hingga 2.5 meter. Langkah otomatisasi digital ini terbukti sangat efektif untuk meminimalkan potensi kesalahan paralaks manusia akibat salah membaca grafik manual (DAI5-27: Error Minimization). Berdasarkan hasil konvergensi kode program, dimensi diameter optimum (D) baling-baling ditetapkan sebesar 2.00 meter dengan luasan cakram yang ideal untuk buritan kapal. Rekapitulasi hasil parameter geometri akhir dan efisiensi propeler yang mendasari keputusan desain berdasarkan data riil output komputer ini disajikan pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Hasil Keluaran Parameter Geometri dan Efisiensi Optimum

Parameter Geometri Akhir	Nilai Hasil Komputasi	Parameter Performa Hidrodinamika	Nilai Hasil Komputasi
Diameter Baling-Baling Optimum (D)	2.00 meter	Kecepatan Aliran Masuk (Va)	4.630 m/s
Rasio Pitch Sudu Optimum (P/D)	0.872	Koefisien Gaya Dorong (KT)	0.260
Target Rasio Luas Daun Aktual	0.750	Koefisien Kemajuan Baling-Baling (J)	0.463
Jumlah Bilah (Z)	4.00 buah	Efisiensi Terbuka Optimum ($\eta_0$)	0.772

Melalui pencocokan nilai koefisien tersebut terhadap beban torsi mesin, program berhasil mendeteksi koordinat kerja operasional yang sangat optimal. Karakteristik performa hidrostatik dan hidrodinamika dari baling-baling hasil komputasi ini dipetakan secara visual melalui kurva hubungan parameter KT, KQ, dan J pada Gambar 4.1. Baling-baling mampu menghasilkan nilai efisiensi terbuka ($\eta_0$) tertinggi sebesar 0.772 atau 77.2 persen. Nilai efisiensi ini dinilai sangat elegan, superior, dan efektif karena melampaui rata-rata efisiensi baling-baling konvensional, sehingga mampu memotong konsumsi energi bahan bakar total secara masif pada pengoperasian dinamis kapal kerja (DAI5-23: Simplicity and Elegance).

Gambar 4.1 Kurva Karakteristik Open Water Baling-Baling (Wageningen Open Water Diagram)

Berdasarkan Gambar 4.1, grafik karakteristik open water menunjukkan bahwa titik kerja optimum perancangan berada pada nilai Koefisien Kemajuan $J$ = 0.463. Pada titik ini, kurva memotong nilai Koefisien Gaya Dorong $KT$ = 0.260 dan menghasilkan puncak kurva Efisiensi Terbuka $\eta_0$ mencapai nilai tertinggi sebesar 77.2 persen (DAI5-26: Physical Interpretation).

Guna mengevaluasi karakteristik adaptif sudu variabel tipe Kaplan secara menyeluruh, dilakukan simulasi lanjutan pada lingkungan komputasi Google Colab dengan memvariasikan rasio pitch (P/D) pada rentang pengoperasian dinamis dari 0.50 hingga 1.10 sebagaimana disajikan pada Gambar 4.2. Simulasi numerik ini bertujuan untuk memetakan bagaimana fleksibilitas orientasi sudu mampu mempertahankan efisiensi terbuka ($\eta_0$) yang tinggi pada berbagai kondisi pembebanan kapal (DAI5-21: Alignment with Intent). Hasil komputasi menunjukkan bahwa perubahan sudut pitch berdampak linier terhadap penyerapan daya poros dan pembentukan gaya dorong. Pada kondisi operasional riil, sistem kendali combinator kapal dapat menggeser nilai P/D ke titik rendah sekitar 0.60 saat kapal membutuhkan gaya dorong kejut masif dengan efisiensi yang tetap terjaga, dan mengubahnya ke titik optimum P/D = 0.872 untuk mencapai puncak efisiensi $\eta_0$ = 77.2% saat berlayar dinas. Kemampuan visualisasi simulasi variasi ini memberikan basis data yang komprehensif bagi perancang untuk meminimalkan kegagalan operasi di laut nyata (DAI5-25: Comprehensiveness dan DAI5-27: Error Minimization).

Gambar 4.2 Grafik Hasil Simulasi Variasi Rasio Pitch (P/D)

4.3 Validasi Batas Kavitasi Keller dan Keberlanjutan Desain
Langkah terakhir dari pembahasan hasil perancangan ini adalah melakukan verifikasi kekuatan luasan daun propeller terhadap batas kritis terbentuknya gelembung uap air laut. Pengujian dilakukan dengan membandingkan nilai rasio luas daun ekspansi hasil desain dengan batasan minimum yang disyaratkan oleh Kriteria Kavitasi Keller (Carlton, 2019). Variabel tekanan statis lingkungan (p0) dihitung pada kedalaman sarat air buritan sebesar 2.5 meter ditambah tekanan atmosfer standar, sementara tekanan uap jenuh air laut (pv) diset sebesar 1705 Pascal. Konstanta karakteristik lambung kapal tunda (K) ditetapkan secara ketat pada angka 0.20 untuk menjamin faktor keamanan yang tinggi. Melalui substitusi seluruh nilai variabel ke dalam formula Keller pada lingkungan komputasi Google Colab, batas rasio luas daun ekspansi minimum (AE/A0) yang wajib dipenuhi agar sudu terbebas dari erosi kavitasi diperoleh sebesar 0.733.

Gambar 4.3 Grafik batas kavitasi Keller (Safe Zone)

Visualisasi batas aman operasional sudu terhadap risiko kavitasi tersebut dipetakan secara terukur melalui diagram batas kavitasi pada Gambar 4.3. Simulasi numerik yang dijalankan pada platform Google Colab ini memplot kurva batas minimum luas daun ekspansi terhadap variasi beban gaya dorong dari nominal 50 kilo-Newton hingga 150 kilo-Newton. Kurva merah pada Gambar 4.3 merepresentasikan batas kritis terjadinya kavitasi, di mana area di bawah kurva merupakan zona bahaya kavitasi ekstrem (Danger Zone) yang dapat mengikis material logam, sedangkan area di atas kurva merupakan zona operasi aman (Safe Zone). Posisi koordinat titik desain aktual baling-baling tipe Kaplan hasil perancangan ini diplot secara eksplisit pada nilai luas daun aktual 0.750 dan beban gaya dorong 106.5 kilo-Newton.

Posisi titik desain yang berada di dalam area Safe Zone dan terletak di atas kurva batas kritis Keller memberikan pembuktian visual yang valid bahwa geometri baling-baling yang dirancang memiliki margin keamanan yang sangat baik (DAI5-27: Error Minimization dan DAI5-28: Verification and Validation). Karena nilai rasio luas daun aktual terbukti lebih besar daripada ambang batas minimum Keller, maka geometri baling-baling dinyatakan 100 persen aman dari risiko kerusakan material ataupun penurunan gaya dorong mendadak di laut nyata. Pilihan rekayasa ini mencerminkan komitmen moral perancang untuk menyajikan solusi teknologi berkinerja tinggi tanpa mengabaikan aspek keselamatan serta keberlanjutan lingkungan maritim melalui mitigasi risiko kebocoran hub (DAI5-11: Focus on Quality dan DAI5-30: Sustainability Integration).

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan seluruh tahapan analisis data empiris, optimasi menggunakan diagram standar, serta eksekusi pemodelan matematis berlapis pada lingkungan komputasi Google Colab, maka kesimpulan dari perancangan propulsi kapal jenis Controllable Pitch Propeller (CPP) berbasis karakteristik Turbin Kaplan ini dirumuskan sebagai berikut (DAI5-26: Physical Interpretation):

1. Karakteristik hidrodinamika sudu variabel (adjustable blades) pada Turbin Kaplan terbukti sangat valid saat diadaptasikan menjadi sistem propulsi CPP kapal kerja (tugboat) 1200 HP. Fleksibilitas mekanis tersebut mampu memberikan solusi operasional yang responsif terhadap perubahan beban dinamis ekstrem di laut nyata sekaligus mengeliminasi kebutuhan penggunaan komponen reversing gearbox mekanis yang rumit (DAI5-20: Physical Realism dan DAI5-23: Simplicity and Elegance).
2. Hasil konvergensi algoritma komputasi regresi polinomial Wageningen B4-Series menetapkan dimensi geometri optimum diameter baling-baling sebesar 2.00 meter pada batas atas rasio diameter d/D internal hub sebesar 0.30. Pada koordinat titik kerja Koefisien Kemajuan $J$ = 0.463 dan Koefisien Gaya Dorong $K_T$ = 0.260, diperoleh nilai puncak Efisiensi Terbuka ($\eta_0$) yang superior mencapai angka 0.772 atau 77.2 persen (DAI5-17: Use of Data and Evidence).
3. Hasil pengujian kurva batas kavitasi pada Google Colab menunjukkan bahwa ambang batas rasio luas daun ekspansi minimum yang disyaratkan oleh Kriteria Kavitasi Keller adalah sebesar 0.733. Pemilihan rasio luas daun aktual sebesar 0.750 menempatkan posisi titik koordinat perancangan berada jauh di atas kurva kritis atau masuk ke dalam zona operasi aman (Safe Zone). Dengan terpenuhinya kondisi fisis 0.750 > 0.733, baling-baling dinyatakan 100 persen valid dan terbebas dari risiko erosi kavitasi (DAI5-27: Error Minimization dan DAI5-28: Verification and Validation).

5.2 Saran
Guna pengembangan penelitian lanjutan dengan tetap menjaga keselarasan terhadap komitmen perlindungan ekosistem maritim dan peningkatan kualitas rekayasa, beberapa saran akademis yang diajukan adalah sebagai berikut (DAI5-11: Focus on Quality dan DAI5-30: Sustainability Integration):

1. Penelitian selanjutnya disarankan untuk mengintegrasikan algoritma pemrograman berbasis kecerdasan buatan (artificial intelligence) pada sistem kendali otomatis combinator di anjungan kapal guna mempercepat waktu respons perubahan sudut pitch sudu secara real-time saat menghadapi fluktuasi arus laut yang ekstrem.
2. Perlu dilakukan analisis elemen hingga menggunakan metode Finite Element Analysis (FEA) untuk memetakan kekuatan struktur mekanis internal hub seperti komponen crosshead, crank pin, dan flens bilah (blade flange) dalam menahan beban kejut akibat perubahan sudut sudu radikal.
3. Implementasi industri nyata dari perancangan ini wajib memperketat spesifikasi penggunaan jenis pelumas ramah lingkungan Environmentally Acceptable Lubricants (EAL) yang tersertifikasi pada sistem hidrolik hub guna mengeliminasi total risiko denda pencemaran lingkungan maritim global.

DAFTAR PUSTAKA

Carlton, J. (2019). Marine propellers and propulsion (4th ed.). Butterworth-Heinemann.

Lewis, E. U. (Ed.). (1988). Principles of naval architecture: Volume II – Resistance, propulsion and vibration. Society of Naval Architects and Marine Engineers.

Oosterveld, M. W. C., & van Oossanen, P. (1975). Further developments in the Wageningen B-screw series. International Shipbuilding Progress, 22(251), 235-255.

United Nations Conference on Trade and Development. (2024). Review of maritime transport 2024. United Nations Publications.

---