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.
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
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.
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.
- 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