Minggu, 14 Oktober 2012

TURBIN GAS DAN KELISTRIKAN PADA PESAWAT TERBANG

1.     Pendahuluan
Gas-turbine engine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.. Turbin gas sangat tepat untuk mesin pesawt digunakan karena rasio power besar berat kecil, mudah distarter, akselerasi baik dan handal dalam operasinya.
Turbin gas merupakan aplikasi dari siklus Brayton. Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan.
 
Proses 1 ke 2 (kompresi isentropik) . Kerja yang dibutuhkan oleh kompresor: Wc = ma (h2 – h1) (in a compressor). Proses 2 ke 3, pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Jumlah kalor yang dihasilkan: Qa = (ma + mf) (h3 – h2). Proses 3 ke 4, ekspansi isentropik didalam turbin. Daya yang dibutuhkan turbin: WT = (ma + mf) (h3 – h4) (in a turbine). Proses 4 ke 1, pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Jumlah kalor yang dilepas: QR = (ma + mf) (h4 – h1)
Turbin gas dapat dibedakan berdasarkan siklusnya, kontruksi poros dan lainnya. Menurut siklusnya turbin gas terdiri dari:
·                     Turbin gas siklus tertutup (Close cycle)
·                     Turbin gas siklus terbuka (Open cycle)
Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja. Pada turbin gas siklus terbuka, akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir, sedangkan untuk siklus tertutup akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam
proses awal. Karena siklus berputar ke arah kanan maka fungsi dari siklus tersebut adalah mengubah E.panas menjadi E.mekanis. Penjabaran dari efisiensi siklus diatas adalah:
η=W/Q
 

1.     Sejarah Turbin Gas

Prinsip jet pertama kali ditemukan kira - kira 150 tahun SM, oleh ilmuwan Mesir kuno ( Alexandria ) bernama Heron, alat tersebut dinamakan Aeolipile. Aeolipile yaitu bejana yang diisi dengan air dan bejana tersebut dihubungkan dengan bejana sperical yang bebas bergerak melalui penopang pipa, bila bejana air dipanaskan maka uap akan mengalir melalui pipa penyangga dan masuk ke bejana sperical dan memancar melalui dua buah ozzle, pancaran tersebut menghasilkan gaya dorong dan timbul reaksi gaya gerak sperical berputar dengan arah yang berlawanan.
Ilmuwan Fisika terkenal, Sir Isaac Newton juga merumuskan dalam hukumnya yang ketiga, hukum Aksi dan Reaksi. Hukum itu menyatakan “Setiap gaya yang beraksi pada suatu benda, akan menghasilkan reaksi gaya yang berlawanan arah yang sama besarnya”. Dari sinilah para insinyur penerbangan memulai bekerja menciptakan suatu Mesin Jet yang menjadi tenaga pendorong pesawat terbang.
 
3.     Mesin Organ Vital pada Pesawat Terbang
Pesawat terbang memiliki empat gaya ketika terbang(lift,weight,dhust,thus) gaya angkat yang terjadi pada kedua sayap. Pilot harus mengatur tekanan bagian atas sayap harus lebih besar dari pada bagian atas dan kecepatan bagian atas kecepatan udara lebih besar dari pada bagian bawah ketika pesawat akan terbang (take off), sebalik saat akan melakukan pendaratan (landing) pilot mengatur tekanan bagian atas sayap lebih besar dari pada bagian bawah dan kecepatan bagian bawah sayap lebih besar dari pada bagian atas.
Pertanyaan sekarang apakah pesawat dapat terbang tanpa mesin?
Tentu saja tidak pesawat akan terbang bila memiliki gaya dorong yang dihasilkan oleh mesin pesawat dan adanya gaya angkat bila salah satu gaya hilang maka pesawat akan decending atau turun. Oleh sebab itu mesin pesawat bisa dikatakan sebagai jantung dari penerbangan. Karena mesin  menyediakan sistem seperti sistem istem Kelistrikan (Electrical System), Sistem Hidrolis (Hydraulic System), Sistem Tekanan Kabin (Pressurization System), Sistem Kendali Pesawat Terbang (Flight Control System), serta sistem-sistem sekunder lain yang ada dalam pesawat terbang . maka bila mesin itu mati maka sistem-sistem tersebut akan mati meskipun ada beberapa pesawat yang memliki sistem cadangan mengantisipasi jika mesin mati ketika terbang.
Roda pendarat sangat tergantung dengan adanya Sistem Hidrolis ini.Penumpang di dalam pesawat terbang sangat tergantung dengan keberadaan sistem tekanan kabin, agar dapat bernapas dengan leluasa serta normal seperti layaknya diatas daratan. Sang pilot sangat tergantung dengan sistem kelistrikan, supaya alat navigasi, alat komunikasi, serta alat-alat penunjuk lain dapat diandalkan. Sehingga dapat dibayangkan seandainya mesin pesawat terbang tersebut berhenti bekerja, maka semua sistem diatas akan berhenti juga. Itulah sebabnya mesin pesawat terbang mempunyai peran sebagai “organ vital”. Dahulu saat pesawat terbang berhasil dibuat oleh Wright bersaudara, satu-satunya tenaga penggerak dan pendorong adalah mesin sederhana yang menggerakkan baling-baling.Baling-baling itu lalu menimbulkan daya dorong (thrust), yang didukung oleh profil tertentu sayap pesawat, sehingga menimbulkan gaya angkat (lift ). Gabungan dari daya dorong dan gaya angkat itulah yang membuat pesawat terbang mampu mengudara seperti yang kita lihat.

Tentunya dua gaya itu harus lebih besar dari dua gaya “lawannya”, yaitu gaya berat (weight) dan hambatan(drag). Seiring berjalannya waktu, mesin berbaling-baling dirasakan tidak mencukupi lagi kebutuhan manusia untuk dapat menikmati pesawat terbang. Hal ini disebabkan pesawat berbaling-baling (Propelled Aircraft) memiliki keterbatasan dalam hal ketinggian jelajah, pemborosan bahan bakar, jarak tempuh, serta waktu tempuh penerbangan. Para insinyur penerbangan ingin membuat pesawat terbang yang mampu menjelajah pada ketinggian yang optimal sekaligus menghemat bahan bakar, memanfaatkan massa udara yang sedikit untuk dimampatkan lalu menghasilkan daya dorong yang spektakuler, serta mampu menempuh jarak yang cukup jauh dengan waktu tempuh yang pendek. Terdengar hampir mustahil memang. Namun, para insinyur penerbangan bersungguh-sungguh ingin mewujudkan keinginan itu. Untuk memenuhi “ambisi” ini, maka dibuatlah mesin Jet.
4.  Prinsip Kerja
 
 Pada gambar adalah salah satu mesin turbin gas pesawat terbang, adapun cara kerjanya adalah sebagai berikut. Motor starter dinyalakan, kompresor berputar dan mulai bekerja menghisap udara sekitar, udara kemudian dimampatkan. Udara pada tahap pertama dimampatkan dahulu pada kompresor tekanan rendah, diteruskan kompresor tekanan tinggi. Udara mampat selanjutnya masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar yang sudah disemprotkan. Campuran bahan bakar-udara mampat kemudian dinyalakan dan terjadi proses pembakaran. Gas hasil proses pembakaran berekspansi pada turbin, terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin, sebagian gas pembakaran menjadi gaya dorong. Setelah memberikan sisa gaya dorongnya, gas buangan akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).. Dari proses kerja turbin gas pesawat terbang tersebut, dihasilkan daya turbin yang digunakan untuk menggerakan kompresor, menghasikan daya dorong, dan menggerakan peralatan bantu lainnya.
Berdasarkan prinsip kerja fluida makan turbin gas pesawat terbang termasuk kedalam sistem turbin gas terbuka (open cycle).
1.      Sistem Kelistrikan Pesawat
Sebelumnya kita sudah mengetahui prinsip kerja dan posisi mesin sebagai organ vital pada pesawat terbang. Sekarang kita akan membahas kelistrikan pada pesawat terbanng dimulai dengan pembangkitan, distribusi hingga digunakan (dihubungkan ke beban). Pada prinsip kerja diketahui bahwa turbin gas yang digunakan oleh pesawat sebagai pesawat terbang yang mampu memutar turbin lalu menghasilkan daya dorong. Turbin yang berputar akan menggerkan generator dan menjadi sumber listrik yang utama pada pesawat terbang. Pesawat terbang memiliki generator lebih dari satu 3phasa.
generator pada engine menghasilkan listrik dari putaran engine sendiri, listrik yang dibutuhkan pesawat sebesar 115VAC dengan frekuensi 400Hz yg dihasilkan dri generator, namun karena Rpm engine yg memutar generator tidak selalu stabil maka dipasanglah sebuah alat yg bernama CSD(constan speed drive) dimana alat itu berfungsi untuk mengendallikan putaran generator agar selalu constan.
Selain memiliki generator pada setiap mesinya, pesawat terbang memiliki generator cadangan pada ekor pesawat untuk mengantisipasi mesin mati(engine failure) yang bernama APU(auxiliary power unit).
Sedangkan sumber listrik DC pada pesawat terbang terdiri atas TRU(transformer rectifier unit) dan baterai. TRU(transformer rectifier unit) dimana didalamnya terdapat 2 bagian yaitu transformator dan rectifier, fungsi dari keduanya adalah transformator berfungsi untuk menurunkan tegangan dari 115 VAC menjadi 28VAC sedangkan fungsi rectifier untuk mengubah tegangan 28VAC menjadi 28VDC. Baterai yang terdapat di pesawat berfungsi untuk menghasilkan listrik DC dengan tegangan sebesar 28 VDC. Baterai yang dipakai adalah tipe Nikel Cadmium (NiCd) sehingga dapat diisi ulang (rechargeable). Saat baterai tidak digunakan, baterai akan di-charge oleh baterai charger yang terpasang. Dalam pemakaiannya, baterai pesawat dipakai dalam beberapa keadaan yaitu Sebagai sumber eksitasi untuk starting APU dan Saat konsidi darurat sebagai sumber listrik DC.
5.1     Sistem Distribus
     Untuk distribusi listrik, pesawat memakai sistem bus yang menghubungkan antara sumber listrik dengan beban.
1.AC Transfer bus (XFR), terdiri atas transfer bus 1 dan transfer bus 2. Dalam kondisi normal, transfer bus 1 terhubung dengan generator 1 dan transfer bus 2 terhubung dengan generator 2.Sedangkan dalam kondisi darurat, semisal generator 1 tidak berfungsi, maka transfer bus 1 dapat terhubung dengan APU atau terhubung dengan generator 2 melalui transfer bus 2.
2. AC Main bus, terdiri dari AC main bus 1 dan AC main bus 2.
3. Galley bus, untuk keperluan listrik di galley pesawat. Jumlah bergantung pada jumlah galley yang terpasang di pesawat.
4. 28 VDC Bus, bus yang terhubung dengan transformer.
5. 28 VDC baterai bus, bus yang terhubung dengan transformer dalam kondisi normal, dan baterai dalam kondisi alternatif.
6. Standby (STBY) bus, standby bus adalah bus yang tetap akan mempunyai sumber listrik dalam keadaan darurat. 115 VAC STBY memperoleh sumber listrik dari static inverter sedangkan 28 VDC STBY memperoleh listrik dari baterai.
5.2.          Beban (load)
Beban di pesawat terhubung dengan sistem distribusi listrik pesawat melalui bus. Bergantung pada sumber listrik yang diperlukan, dan juga peranannya, beban bisa terhubung pada bus yang berbeda-beda. Untuk sistem pesawat yang tetap harus berfungsi dalam keadaan darurat, akan tersambung dengan standby bus. Sedangkan sistem pesawat yang “kurang penting” akan terhubung dengan AC Main Bus. macam-macam beban pada pesawat seperti pada cockpit misalnya instrument-instrument navigasi,radar,lampu,computer-computer dll.
 6.Komponen Turbin Gas
Turbin gas tersusun atas komponen-komponen utama seperti air inlet section, compressor section, combustion section, turbine section, dan exhaust section. Sedangkan komponen pendukung turbin gas adalah starting equipment, lube-oil system, cooling system, dan beberapa komponen pendukung lainnya. Berikut ini penjelasan tentang komponen utama turbn gas
       1. AIR INLET
Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Bagian ini terbagi lagi menjadi.
i. Air Inlet Housing, tempat udara masuk dimana didalamnya terdapat peralatan pembersih udara.
ii. Inertia Separator, membersihkan debu-debu atau partikel yang terbawa bersama udara masuk.
iii. Pre-Filter, merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet house.
iv. Main Filter, merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini masuk ke dalam kompresor aksial.
v. Inlet Bellmouth, membagi udara agar merata pada saat memasuki ruang kompresor.
vi. Inlet Guide Vane, blade yang berfungsi sebagai pengatur jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan.
2. COMPRESSOR
Komponen utama pada bagian ini adalah aksial flow compressor, berfungsi untuk mengkompresikan udara yang berasal dari inlet air section hingga bertekanan tinggi sehingga pada saat terjadi pembakaran dapat menghasilkan gas panas berkecepatan tinggi yang dapat menimbulkan daya output turbin yang besar. Aksial flow compressor terdiri dari dua bagian :
i. Compressor Rotor Assembly
Merupakan bagian dari kompresor aksial yang berputar pada porosnya. Rotor ini memiliki 17 tingkat sudu yang mengompresikan aliran udara secara aksial dari 1 atm menjadi 17 kalinya sehingga diperoleh udara yang bertekanan tinggi. Bagian ini tersusun dari wheels, stub shaft, tie bolt dan sudu-sudu yang disusun kosentris di sekeliling sumbu rotor. Tingkat sudu tergantung jenis frame GTG.
ii. Compressor Stator
Masing2 terbagi lagi menjadi beberapa komponen.
a. Inlet Casing, merupakan bagian dari casing yang mengarahkan udara masuk ke inlet bellmouth dan selanjutnya masuk ke inlet guide vane.
b. Forward Compressor Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat empat stage kompresor blade.
c. Aft Casing, bagian casing yang didalamnya terdapat compressor blade tingkat 5-10.
d. Discharge Casing, merupakan bagian casing yang berfungsi sebagai tempat keluarnya udara yang telah dikompresi. Pada bagian ini terdapat compressor blade tingkat 11 sampai 17.
3. COMBUSTION CHAMBER
Pada bagian ini terjadi proses pembakaran antara bahan bakar dengan fluida kerja yang berupa udara bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Hasil pembakaran ini berupa energi panas yang diubah menjadi energi kinetik dengan mengarahkan udara panas tersebut ke transition pieces yang juga berfungsi sebagai nozzle. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin. Terbagi menjadi Fuel nozzle, Combustion liner, Flow sleeve, Busi / spark plug, Detector nyala api / flame detector, Cross fire tube, Transition piece
3.1 PROSES PEMBAKARAN
             Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin diesel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang bakar melewati swirler, sehingga alirannya berputar. Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer.
setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna. nosel bahan bakar swirel udara zona primer zona sekunder zona pencampuran aliran udara sekunder dan pendingin aliran udara primer udara mampat kompresor gas pembakaran ke turbin Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara sekunder, temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan.
Zona pencampuran (dillute zone), adalah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman apabila mengenai sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakaran juga bertambah.
TURBIN
Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak kompresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan. Terbagi menjadi ROTOR TURBIN dan STATOR TURBIN : Shell turbin, Nozzle turbin, Diaphragm, Shroud, Exhaust frame & Exhaust diffuser
5. EXHAUST
Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas. Exhaust section terdiri dari beberapa bagian yaitu :
Exhaust Frame Assembly. Exhaust Diffuser Assembly. Masing-masing terbagi
menjadi beberapa bagian. 

7.
  1. PerkembanganTurbin Gas
Mesin jet atau yang juga dikenal sebagai mesin turbin gas juga dikembangkan tidak hanya untuk pesawat terbang tetapi juga untuk kapal dan di darat untuk kendaraan terutama kendaraan berat seperti tank dan mesin-mesin pembangkit listrik dan mesin untuk industri. Ada empat jenis mesin turbojet antara lain mesin turbojet dan turbofan yakni mesin yang tenaganya diperoleh dari reaksi yang didapat dari daya dorong semburan jet-nya. Jenis yang lain adalah turboprop dan turboshaft yang bekerja dengan prinsip lain yakni energi dari gas panasnya digunakan untuk memutar/menggerakkan turbin yang dihubungkan dengan baling-baling atau dikenal juga dengan sebutan power output shaft.
Adapun jenis-jenis turbin gas yang dipakai oleh pesawat terbang seperti
1. Turbojet Engine
2. Turboprop Engine
3. Turbofan engine
4. Turboshaft Engine
Saat ini sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan seperti mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang dan lainnya. Sistem turbin gas dapat dipasang dengan cepat dan biaya investasi yang relatif rendah jika dibandingkan dengan instalasi turbin uap motor diesel untuk pusat tenaga listrik dan baru ini diabad dua pulus satu sedang dikembangkan turbin gas nuklir.

sumber :
browsing di google lupa lagi link-nya :D
dan fligh simulator 2004 .
==mohon maaf atas kekurangnya terima kasih==


== Mohon maaf p

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar