Sistem Propulsi
Setiap kendaraan
membutuhkan sesuatu yang menghasilkan gerak,sesuatu yang mendorong kendaraan
tersebut dan memberikan percepatan. Sistem propulsi merupakan mekanisme
penggerak pada setiap pesawat udara. Ada dua jenis sistem propulsi yang
dipakai,yakni sistem penggerak propeler dan sistem penggerak jet expansi.
Setiap sistem propulsi dihasilkan berdasarkan hukum ketiga Newton. Pada sistem
propulsi,udara sebagai fluida kerja diakselerasikan oleh sistem, dan reaksi
dari akselerasi atau percepatan ini menghasilkan gaya pada sistem yang disebut
dengan thrust atau gaya dorong. Gaya yang bekerja pada sistem propulsi
sebagaimana yang terlihat pada gambar merupakan penerapan dari hukum kedua
Newton.
Dimana
force atau gaya merupakan perubahan momentum berdasarkan perubahan
waktu. Persamaan ini dapat diuraikan sehingga akan diperoleh persamaan gaya
yang mengacu kepada hukum ke dua Newton
Diturunkan
dari persamaan
Defenisi
Propeler
Sejarah
Perkembangan Teori Propeler
Penjelasan secara
detail tentang teori bagaimana propeler bekerja sehingga menghasilkan thrust
atau gaya dorong sangatlah rumit dan kompleks. Hal ini dikarenakan propeler
merupakan sayap yang berputar dengan perubahan bentuk airfoil yang sulit untuk
dianalisa. Teori propeler telah dikenal beberapa ratus tahun yang lalu oleh
ilmuwan-ilmuwan pada masa itu. Beberapa teori yang telah dikenal diantaranya
adalah teori momentum dan teori elemen bilah. Axial momentum theory diperkenalkan
oleh William. J. M. Rankine pertama kali pada tahun 1865 dan mengalami
beberapa perkembangan sampai disempurnakan oleh Betz pada tahun 1920 yang
hingga sekarang lebih dikenal dengan General Momentum Theory. Sedangkan
teori elemen bilah klasik diteliti pertama kali oleh Lanchester pada
tahun 1907 dan disempurnakan dengan Vortex-Blade Element Theory (Ardhianto,
2011)
Vortex-Blade
Element Theory
Teori ini adalah
gabungan dari teori elemen bilah yang disempurnakan dengan vortex teory.
Teori elemen bilah mempelajari tentang gaya-gaya di tiap-tiap bilah
baling-baling dengan cara mem-breakdown bilah tersebut menjadi beberapa
bagian. Tiap-tiap bagian dari bilah tersebut akan membentuk cincin dalam dua
dimensi sehingga pada keadaan tiga dimensi akan membentuk tabung yang kemudian
dihitung per bagian.
Teori elemen bilah
disempurnakan dengan teori vortex. Teori vortex tersebut
berdasarkan atas keberadaan tip vortex yang dihasilkan oleh ujung bilah
yang berputar sebagaimana ditunjukkan pada gambar Vorteks-vorteks tersebut
lalu mengalir ke belakang membentuk lintasan berbentuk helikal. Konsep trailing
edge vortices dan tip vortices pada propeler tersebut mirip dengan
konsep-konsep pada finite wing. Hanya saja konsep ini dipakai untuk
propeler dengan perubahan penampang serta perubahan sudur serang. Pada gambar juga
dapat menunjukkan bahwa penyederhanaan permasalahan dengan mengasumsikan aliran
putaran hanya dihasilkan ujung bilah saja.
Konsep vortex pada propeler
2.1.4
Airfoil
Airfoil merupakan suatu bentuk geometri
yang dibuat untuk menghasilkan gaya angkat yang lebih besar dari gaya drag
pada saat ditempatkan pada sudut tertentu pada suatu aliran udara. Airfoil
mempunyai bentuk ujung yang lancip untuk menjamin aliran udara sedapat mungkin
sealiran (Clancy, 1975).
Gaya hambat ini harus diperkecil agar
tenaga pendorong airfoil tidak mengalami hambatan yang besar. lift dan drag
dipengaruhi oleh:
1.
Bentuk
airfoil
2.
Luas
permukaan airfoil
3.
Pangkat
dua dari kecepatan aliran udara
4.
Kerapatan
(densitas) udara
Suara
Gelombang suara pada material
permukaan benda yang bergetar mengakibatkan
fluida yang berdekatan dengan permukaan tersebut terkompresi. Kompresi ini
mengakibatkan efek menjauh dari permukaan yang bergetar. Efek ini disebut
dengan gelombang suara, gelombang suara tersebut akan bergerak menjauhi
permukaan yang bergetar dengan kecepatan yang bervariasi bergantung terhadap
material yang dilalui. Untuk gas ideal, kecepatan suara adalah fungsi
dari temperatur absolut.
Turbojet
Mesin turbojet menjadi salah satu jenis mesin penggerak pesawat terbang. Mesin penggerak pesawat terbang yang juga banyak digunakan pada saat ini selain turbojet yaitu turboprop dan turbofan. Mesin turbojet sangat umum digunakan pada pesawat-pesawat tempur yang membutuhkan kecepatan tinggi. Dan sekalipun mesin ini tidak lazim digunakan pada kendaraan darat, namun kendaraan untuk pemecahan rekor kecepatan darat menggunakan mesin ini.
Gambar 2.4 Mesin Turbojet Pesawat F-16 Fighting Falcon
Mesin turbojet merupakan
penerapan dari siklus termodinamika Brayton (baca artikel siklus brayton berikut). Siklus Brayton terbagi kedalam
empat tahapan proses yakni proses kompresi isentropik, proses pembakaran
isobarik, proses ekspansi isentropik, serta proses pembuangan panas. Keempat
tahapan proses inilah yang menjadi prinsip dasar dari mesin turbojet.
Prinsip kerja mesin turbojet tidak dapat terlepas dengan komponen-komponen kerjanya. Komponen utama dari mesin turbojet yaitu kompresor, ruang bakar (combustion chamber), turbin, dan nozzle. Tiga tahapan awal dari siklus brayton di atas terjadi pada komponen-komponen mesin turbojet tersebut. Sedangkan proses siklus brayton yang terakhir yakni proses pembuangan panas, terjadi di udara atmosfer.
Gambar 2.5 Skema Mesin Turbojet
Mesin turbojet menggunakan udara atmosfer sebagai fluida kerja. Udara masuk ke dalam sistem turbojet melalui sisi inlet kompresor. Saat melewati kompresor, udara dikompresi oleh beberapa tingkatan sudu kompresor yang tersusun secara aksial. Pada ujung akhir kompresor, penampangcasing berbentuk difuser untuk menambah tekanan keluaran kompresor. Umumnya, tekanan udara keluaran kompresor turbojet mencapai rasio 15:1. Selain itu, ada sebagian udara bertekanan yang tidak diteruskan masuk ke ruang bakar. Sebagian kecil udara bertekanan tersebut diekstraksi untuk berbagai kebutuhan seperti pendinginan stator turbin, air conditioning, dan untuk sistem pencegah terbentuknya es di sisi inlet turbin.
Selanjutnya, udara terkompresi
keluaran kompresor masuk ke ruang bakar atau combustor. Bahan
bakar (avtur contohnya) diinjeksikan ke dalam ruang bakar ini. Sistem combustor memiliki desain khusus sehingga aliran
udara bertekanan akan mengkabutkan bahan bakar. Campuran bahan bakar dan udara
dipicu untuk terbakar di dalam ruang bakar ini. Proses pembakaran yang terjadi
seolah-olah menghasilkan efek ledakan yang membuat udara bertekanan memuai
dengan sangat cepat. Pemuaian udara yang terjadi membuat udara panas hasil
pembakaran berekspansi secara bebas ke arah turbin.
Dapat disimpulkan bahwa energi
untuk mendorong pesawat berasal dari temperatur dan tekanan udara panas hasil
pembakaran di dalam combustor. Udara hasil pembakaran inilah yang
mengakselerasi pesawat jet menjadi kecepatan supersonik. Akselerasi yang
diberikan oleh udara panas tersebut tergantung oleh beberapa kondisi berikut:
1. Tekanan dan temperatur udara
panas di titik masuk nozzle.
2. Tekanan ambien keluaran
nozzle.
3. Efisiensi dari proses
ekspansi. Efisiensi ini meliputi kerugian atas adanya gesekan, atau adanya kemungkinan
kebocoran pada nozzle.
2.3 Turbofan
Turbofan memiliki prinsip kerja mirip dengan turbojet yang sama-sama menggunakan konsep gas turbin. Yang membedakan antara keduanya adalah digunakannya kipas (fan) berukuran besar yang berada di sisi inlet kompresor. Sama dengan kompresor, kipas juga berada satu poros dengan turbin. Sehingga energi mekanik putaran kipas juga berasal dari turbin gas. Kipas turbofan berfungsi untuk mensupply udara dalam jumlah yang lebih besar ke dalam sistem turbofan, menciptakan aliran udara dengan debit yang tinggi. Sebagian udara ini tidak masuk ke sistem gas turbin, akan tetapi mengalir melewati sisi luar turbofan.
Gambar 2.6 Skema Mesin Turbofan
Udara panas hasil pembakaran
turbin gas, akan keluar melewati exhaust nozzle dan
menciptakan daya dorong. Akan tetapi daya dorong terbesar mesin ini justru
tercipta dari aliran udara yang tidak melewati sistem turbin gas. Hal ini
dikarenakan sekalipun kecepatan aliran udara ini tidak terlalu besar, namun
debit udara yang besar akan menciptakan gaya dorong yang lebih besar daripada
gaya dorong yang dibangkitkan oleh sisi turbin gas. Sistem ini menghasilkan
efisiensi yang lebih baik untuk kecepatan di bawah kecepatan suara (subsonik).
Keuntungan : lebih efisien untuk digunakan pada kecepatan subsonik, suara tidak
sebising mesin turbojet.
Kerugian : desain yang lebih kompleks karena menggunakan dual-cassing, lebih berpotensi terjadi serangan es pada
sisi inlet mesin, bobot yang lebih berat karena terkadang membutuhkan ukuran
sudu kipas yang besar.
Aplikasi :
sangat umum digunakan pada pesawat-pesawat terbang komersial
2.4 Ramjet
Ramjet merupakan suatu jenis mesin (engine) dimana
apabila campuran bahan bakar dan udara yang dipercikkan api akan terjadi suatu
ledakan, dan apabila ledakan tersebut terjadi secara kontinyu maka akan
menghasilkan suatu dorongan (Thrust).
Mesin Ramjet terbagi atas empat bagian, yaitu: saluran
masuk (nosel divergen) bagian untuk aliran udara masuk, ruang campuran
merupakan ruang campuran antara udara dan bahan bakar supaya bercampur secara
sempurna, combustor merupakan ruang pembakaran yang dilengkapi dengan
membran,yang mana berfungsi untuk mencegah tekanan balik, saluran keluar (nosel
konvergen) yang berfungsi untuk memfokuskan aliran thrust, menahan panas dan
meningkatkan suhu pada combustor.
Technology ram jet ini umumnya dikembangkan pada roket
/ pesawat ulang alik. Pesawat tanpa awak X-43A ini memanfaatkan mesin scramjet
yang di masa mendatang akan dipakai juga pada pesawat ulang alik. Adapun
keistimewaan dari x-434 ini adalah digunakannya mesin scramjet (supersonic
combustible ramjet). Scramjet menggunakan teknologi baru yang membakar hidrogen
bersama dengan oksigen yang diambil dari udara. Oksigen tersebut dihisap dan
dipancarkan lagi dengan kecepatan sangat tinggi.
Gambar 2.7 Skema Ramjet
2.5 Turboshaft
Mesin turboshaft sebenarnya adalah mesin turboprop tanpa baling-baling. Power turbin-nya dihubungkan langsung dengan REDUCTION GEARBOX atau ke sebuah shaft (sumbu) sehingga tenaganya diukur dalam shaft horsepower (shp) atau kilowatt (kW).
Gambar 2.8 Skema Turboshaft
Jenis
mesin ini umumnya digunakan untuk menggerakkan helikopter , yakni menggerakan
rotor utama maupun rotor ekor (tail rotor) selain itu juga digunakan dalam
sektor industri dan maritim termasuk untuk pembangkit listrik, stasiun pompa
gas dan minyak, hovercraft , dan kapal. Contoh mesin ini adalah GEM/RR 1004
bertenaga 900 shp yang diterapkan pada helikopter type Lynx dan mesin Gnome
1.660 shp (1.238 kW) pada helicopter Sea King. Sedangkan versi Industri lain
adalah mesin pembangkit listrik 25-30 MW Roll-Royce RB 211 dengan 35.000-40.000
shp.
2.6 Gaya – Gaya Dasar Yang Bekerja Pada Pesawat Terbang
Ilmu fisika yang membahas tentang bagaimana cara pesawat dapat terbang sangat sekali beragam, dimulai dari Wright bersaudara merancang pesawat yang membuka pintu dunia terhadap luasnya dunia aviasi hingga designer airbus dan boeing berlomba – lomba membuat design pesawat yang sangat efisien.
Gambar 2.7 Gaya Yang Ada Pada Pesawat Terbang
Ada 4 gaya yang sangat dasar yang perlu di ketahui dalam bekerja nya suatu pesawat terbang yaitu :
1. Thrust
Thrust adalah gaya dorong yang diciptakan oleh kerja mesin yang mendorong udara kebelakang agar pesawat dapat melaju kedepan. Gaya tersebut tercipta oleh kinerja mesin pesawat yang menciptakan propulsi dan mendorong pesawat. Gaya dorong ini dipengaruhi oleh hukum newton 2 & 3 yang mengatakan bahwa Percepatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada benda berbanding lurus dengan besar gayanya dan berbanding terbalik dengan masa benda dan Jika benda pertama mengerjakan gaya terhadap benda kedua, maka benda kedua akan mengerjakan gaya terhadap benda pertama yang besarnya sama, tetapi arahnya berlawanan.
Gambar 2.8 Gaya Thrust
2. Drag
Saat pesawat mulai terdorong oleh kerja mesin, ada gaya yang bekerja berlawanan atau menghambat geraknya pesawat dengan menghasilkan gaya gesek sehingga menahan laju pesawat. Drag biasa juga disebut resistance atau berlawanan. Hal yang mempengaruhi drag dalam dunia penerbangan adalah fuselage atau body pesawat itu sendiri, tetapi drag juga bisa dihasilkan oleh spoiler, flap, dan slat. Drag dapat sangat merugikan karena dapat menghambat laju pesawat tetapi juga dapat sangat bermanfaat apabila pesawat sedang melakukan proses pengereman. perancang pesawat berupaya untuk memilimalisir gaya ini dengan merancang jalannya udara agar tidak terlalu terhambat dengan body pesawat itu sendiri. Ilmu yang mempelajari tentang pergerakan udara disebut aerodinamika.
Gambar 2.9 Gaya
Drag
3. Lift
Lift adalah gaya yang mempengaruhi tentang bagaimana pesawat tersebut dapat terangkat ke udara. Dengan memanfaatkan gaya drag yang dihasilkan oleh sayap dan mengalirkan udara kebagian bawah sayap sehingga menghasilkan gaya angkat dan menerbangkan pesawat tersebut. Dengan bentuk sayap yang telah dirancang tersebut membuat kecepatan udara diatas sayap lebih tinggi daripada kecepatan udara dibagian bawah sayap sehingga tekanan udara di bagian atas sayap lebih rendah dibandingkan dengan dibagian bawah sayap hal tersebut mengakibatkan udara akan mengangkat pesawat keatas, hal tersebut sedikit menyinggung hukum bernoulli yang memang menjadi dasar acuan gaya angkat pesawat.
Gambar 2.10 Gaya Lift
4. Weight
Setelah pesawat
berhasil berada di udara, ada lagi satu gaya terakhir yang menjadi resistance
bagi lift yaitu adalah weight yang mempengaruhi beban pesawat itu sendiri
ditambah dengan gaya gravitasi yang menarik badan pesawat untuk kembali ke
tanah. Hal ini berkaitan dengan hukum relativitas umum einstein mengenai
gravitasi. Semakin berat pesawat maka akan memaksa gaya sebaliknya untuk
bekerja lebih keras yaitu dengan menambah lift yang dengan kata lain menambah
thrust. Sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin berat pesawat atau semakin
besar weight nya maka akan semakin besar pula gaya dorong dan gaya angkat yang
diperlukan oleh pesawat tersebut agar dapat tetap terbang.
Gambar 2.11 Gaya Weight
2.7 Turbin Gas
Turbin gas/ Gas-turbine adalah suatu
alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan
memanfaatkan kompresor dan mesin pembakaran internal. Di dalam turbin gas,
energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan
yang memutar sudu turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas terdiri
dari tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin.
Gambar 2.12 Sistem Turbin Gas
|
Turbin gas digunakan sebagai penggerak generator
listrik. Agar turbin dapat berputar, dibutuhkan beberapa komponen yang lain.
Turbin gas merupakan serangkain komponen yang dirangkai menjadi kesatuan yang dinamakan
siklus brayton. Siklus ini terdiri dari kompresor, combuster,
dan turbin. Agar turbin gas dapat beroperasi dengan baik dan seefisien
mungkin, turbin gas diperlukan peralatan-peralatan lain seperti lubrication
system, control system, cooling system, fuel system, dan lain-lain.
ada pembangkit listrik, turbin gas tidak hanya
digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Akan tetapi turbin gas ini juga
digunakan sebagai pemanas ada HRSG (Heat Recovery SteamGenerator).
Temperatur pada sisi exhaust turbine masih cukup tinggi.
Apabila gas sisa dari turbin gas dibuang ke atmosfir akan sia-sia.
2.7.1 FUNGSI DAN PRINSIP KERJA
TURBIN GAS
Dalam aplikasinya, turbin gas tidak dapat bekerja
tanpa komponen kompresor dan ruang bakar/combuster. Ketiga komponen
tersebut membentuk siklus yang dikenal dengan nama ”SiklusBrayton”.
Fungsi dan prinsip kerja dari siklus ini dapat dilihat pada gambar di bawah
ini:
Turbin gas pada kondisi ideal memanfaatkan gas
bertekanan yang didapat dari udara atmosfir yang dimampatkan dengan menggunakan
kompresor pada kondisi isentropik (reversibel
adiabatik/entropi konstan). Udara yang bertekanan tinggi ini kemudian dibakar
dalam ruang bakar pada tekanan tetap. Dari ruang bakar, gas yang sudah dibakar
bersama dengan bahan bakar diekspansikan ke turbin sebagai penggerak beban
generator. Apabila digambar dalam diagram P-V dan T-S, siklus turbin gas akan
terlihat seperti gambar dibawah ini:
proses
1-2 : Proses pemempatan udara
secara isentropik dengan menggunakan kompresor
proses
2-3 : Pemasukan bahan bakar pada
tekanan konstan. Pemasukan bahan baker ini dilakukan di dalam combuster
proses
3-4 : Proses ekspansi gas hasil
pembakaran (dari combuster). Ekspansi gas panas hasil pembakaran
dilakukan pada turbin. Ekspansi dilakukan dalam kondisi isentropik.
proses
4-1 : Proses pembuangan panas pada
tekanan konstan.
Pada proses pemampatan udara (proses 1-2), secara
termodinamika kompresor membutuhkan kerja sebesar selish entalpi antara inlet
kompresor dengan exhaust kompresor. Pada combuster (proses
2-3) terjadi pemasukan kalor dari pembakaran bahan bakar bersama-sama dengan
udara yang dimampatkan. Sedangkan pada proses ekspansi pada turbin (proses
3-4), gas hasil pembakaran digunakan sebagai tenaga untuk memutar sudu-sudu
pada rotor turbin. Rotor yang berputar ini akan memutar poros/shaft yang akan
memutar poros generator. Generator inilah yang akan membangkitkan listrik.
Isentropik merupakan kondisi entropi yang terjadi konstan. Secara matematis
kerja dan panas yang dihasilkan atau dilepaskan pada siklus brayton dituliskan
sebagai berikut.
Kerja
yang dilakukan kompresor Wc= ma (h2-h1).
Kalor
yang diberikan pada Combuster Qc= (ma+mf)(h3-h2)
Kerja
yang dihasilkan turbin Wt= (ma+mf)(h3-h4)
Dimana ma adalah massa dari udara dan mf adalah massa
bahan bakar. Namun pada aplikasi di lapangan, siklus secara ideal ini sangat
sulit tercapai. Entropi akan naik dan tekanan akan turun. Apabila dinyatakan
dalam T-s dan diagram akan terlihat seperti gambar berikut:
Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal.
Tetap terjadi kerugian-kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang
dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performansi turbin gas
itu sendiri jika dibanding dengan kondisi ideal. Kerugian-kerugian tersebut
dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya
kerugian antara lain:
Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya
kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar. Adanya kerja
yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara
bantalan turbin dengan angin.
Prinsip
Kerja Kompresor
Kompresor yang biasanya dipakai pada turbin gas
adalah axial compressore dan centrifugal compressore.
Pada axial compressore, bentuk dari sudu-sudu rotor mendekati
bentuk dari airfoils. Secara global kompresor bekerja dengan cara menyedot
udara kemudian mendorong udara ini ke sudu tetap. Pada sudu tetap ini,
bentuknya menyerupai bentuk dari difusor. Difusor ini berfungsi untuk
memperbesar tekanan dan menurunkan kecepatan dari udara (prinsip bernoully
aparatus).
Prinsip
Kerja Combuster
Dari kompresor, udara bertekanan dibawa ke ruang bakar
(combuster). Di ruang bakar, udara bertekanan dibakar bersama dengan
fuel/bahan bakar. Bahan bakar yang umum dipakai dalam ruang bakar ini adalah
gas alam (natural gas). Selain gas alam, bahan bakar yang biasa dipakai sebagai
bahan bakar adalah fuel oil/ minyak (dengan efisiensi tinggi).
Bahan bakar yang dibakar berfungsi untuk menaikkan temperatur. Combuster didesain
untuk menghasilkan campuran, pengenceran dan pendinginan sehingga gas yang
keluar dari ruang bakar merupakan temperatur rata-rata dari campuran. Panjang
dari ruang bakar didesain dengan mempertimbangkan waktu dan tempat yang cukup
untuk bahan bakar bisa terbakar sempurna dan memudahkan pemantik untuk membakar
bahan bakar menjadi lebih mudah. Desain ruang bakar juga mempertimbangkan
masalah residu pembakaran. Desain ruang bakar harus mempertimbangkan bagaimana
mereduksi gas NOx.
Prinsip Kerja Turbin
Pada turbin gas, temperature and preassure
drop, dikonversi diubah menjadi energi mekanik. Konversi energi berlangsung
dalam dua tahap. Pada bagian nosel, gas panas mengalami proses ekspansi.
Sedangkan energi panas diubah menjadi energi kinetik. Hampir 2/3 dari kerja
yang dibutuhkan dari siklus ini diperlukan untuk menggerakkan kompresor. Oleh
karena itu, kerja output dari turbin, dipakai untuk menggerakkan poros
penggerak beban, hanya mempresentasikan 1/3 dari kerja siklus.
Pada turbin, khususnya pada 1st stage, yang
menggerakkan bucket dan disc, harus mampu menahan temperatur yang cukup ekstrim
(2200°F/ 1204°C). Temperatur yang sangat tinggi ini juga bercampur dengan
kotoran/ kontaminan dari udara dan bahan bakar sehingga sangat rawan terkena
korosi. Kontaminasi ini sangat sulit untuk dikontrol,sehingga dibutuhkan bahan
paduan/alloys dan prosescoating yang cukup bagus untuk
melindungi material dari korosi dan memaksimalkan umur dari komponen ini.
SEMOGA BERMANFAAT .. SALAM SOLIDARITY FOREVER
Tidak ada komentar:
Posting Komentar