Atikel lengkap tentang gas turbine engine

                                                        Aircraft gas turbine engines



                                                      

 Pengertian Gas Turbine Engine

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.

Banyak digunakan pada pesawat yang terbang tinggi dan memerlukan kecepatan tinggi,agar memproleh thrust yang besar,maka aliran gas buang yang keluar dari exhaust harus berkecepatan tinggi .

Prinsip kerja gas turbine engine

- media yang digunakan adalah udara atmosfir

- atmosfer yang mengandung 21% udara tersebut melalui inlet duct dihisap serta dinaikkan tekananya oleh compressor kemudian melalui diffuser masuk kedalam combustion chamber

- lalu yang 25% udara dicampur dengan bahan bakar avtur melalui fuel jet spray nozzel

- selanjutnya campuran bahan bakar dan udara tersebut akan terbakar oleh spark igniter(waktu star) sehinggah timbul tekanan tinggi akibat tenperatur pembakaran yang tinggi

- tekanan gas tersebut ekspansi dengan kecepatan aliran yang tinggi dan mendorong turbine sehingga berputar

- box untuk propeller (turbo prop) atau tranmisi rotor helicopter(turbo shaft)

-selanjutnya ekspansi gas dapat dipercepat kembali melalui exhaust nozzele untuk menghasilkan thrust sebagai penggerak pesawat terbang (turbo jet dan turbo shaft)


Sejarah Gas Turbine Engine

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 nozzle, pancaran tersebut menghasilkan gaya dorong dan timbul reaksi gaya gerak sperical berputar dengan arah yang berlawanan.






Leonardo Da Vinci tahun 1500 memperkenalkan alat yang bekerja menyerupai turbine yang berputar karena arus panas conntion, selanjutnya dihubungkan dengan poros untuk memutar mekanisme pemanggangan daging. Sir Isaac Newton tahun 1687 mengilustrikan kendaraan yang bergerak karna reaksi gaya dorong pancar gas uap yang dapat dikontrol.










Sir Frank Whittle 1791- 1930, has idea aircraft gas turbine and first experiment engine 1937 dibantu oleh Stanford Moss dan sukses terbang dengan pesawat Gloster G-40 pada 15 may 1941.







Ernst Heinkel Aircraft Company berhasil membuat pesawat jet heinkel HE 178 dan pada 27 agustus 1939, diterbangkan oleh capt. Erich Wahrsitz. Pesawat tersebut bermesin tunggal dengan thrust sebesar 1100 lbs dan kecepatan 400 mph. Demikian pula pesawat tempur jerman bermesin jet ME 262dengan kecepatan 500 mph.
Pada tahun 1947 pilot amerika Chuck Yeager berhasil menerbangkan pesawat melebihi kecepatan suara (BELL X-1).

Fungsi fungsi komponen di gas turbine engine

Air inlet duct
Befungsi sebagai jalan masuk udara ke compressor agar tidak terjadi turbulence dan menurunkan velocity serta menjaga kecepatan udara agar tidak mencapai 1 mach (maximum air speed adalah 0,9 mach)

Compressor
Menaikkan udara dengan jumlah yang memadai agar pembakaran dapat terjadi dengan sempurna Memenuhi kebutuhan aircraft system

Combustion Chamber
berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.

Turbine
Menyerap energi kecepatan aliran gas,dan dapat merubah energi kinetic menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak compresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan

Exhaust
Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas

 gesekan dan turbulensi menyebabkan:

1).Isentropic non-kompresi: untuk suatu tekanan secara keseluruhan rasio, suhu pengiriman kompresor lebih tinggi dari ideal.
2).Non-isentropic ekspansi: walaupun penurunan suhu turbin yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor tidak terpengaruh, tekanan terkait rasio lebih besar, yang mengurangi ekspansi yang tersedia untuk menyediakan kerja yang bermanfaat.
3).Tekanan kerugian dalam asupan udara, combustor dan knalpot: mengurangi ekspansi yang tersedia untuk menyediakan kerja yang bermanfaat.

kerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri.Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

1).Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses ) di ruang bakar.

2).Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

3).Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.
4).Adanya mechanical loss , dsb.

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.
Dalam industri turbin gas umumnya diklasifikasikan dalam dua jenis yaitu :
1. Turbin Gas Poros Tunggal (Single Shaft)
Turbin jenis ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang menghasilkan energi listrik untuk keperluan proses di industri.

2. Turbin Gas Poros Ganda ( Double Shaft)
Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakkan beban yang berubah seperti kompresor pada unit proses.

Siklus-Siklus Turbin Gas
Tiga siklus turbin gas yang dikenal secara umum yaitu:

Siklus Ericson
Merupakan siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik dapat balik (reversible isobaric).Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung di dalam komponen siklus internal (regenerator), dimana effisiensi termalnya adalah : hth = 1 – T1/Th, diman T1 = temperatur buang dan Th = temperatur panas.

Siklus Stirling
Merupakan siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (isotermal reversible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson.

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.Brayton cycle dan aplikasinya sebuah motor turbine gas yang sederhana bekerjanya berdasarkan prosesnya keliling brayton (siklus brayton) proses keliling brayton ini dapat digambarkan pada diagram P-V dibawah ini
Gambar siklus braiton







Proses siklus brayton ini terdiri dari proses proses
0-A : proses pemasukan udara
A-B : proses kompresi udara dalam compressor
B-C : proses pembakaran tekanan tetap dalam ruang bakar
C-D : proses expansi didalam turbine
D-A : proses pembuangan pada tekanan tetap

Berdasarkan tekanan dan volumenya
0-A : volumenya meningkat,tekanan tetap
A-B : volume berkurang,tekananya meningkat
B-C : volume meningkat,tekananya tetap
C-D : volume meningkat,tekananya menurun
D-A : volume turun,tekananya tetap






Perbandingan prinsip kerja motor turbine gas dengan motor piston

¤ Pada gas turbin : gas yang sudah bertekanan dialirkan ke turbin, dan turbin bergerak secara rotasi.

¤ Pada piston : bahan bakar dan udara masuk dalam tekanan rendah,dikompresi piston dan disulut atau meledak sendiri. Piston bergerak secara translasi bolak balik -> diubah oleh crankshaft menjadi gerak rotasi.

Kelebihan dan kekurangan gas turbine engine V/S piston engine
  Kelebihan :    1). Putaran tinggi,vibration rendah
                       2). Komponen mesin lebih dikit
                       3). Power weight ratio tinggi
                       4). Bentuk streamline, sehingah drag rendah
                       5). Engine control simple, operasinya relatif mudah,
                             pemanasan dalam waktu singkat
                       6).menghasilkan tekanan udara yang dapat
                               dikonsumsi
                       7).bahan bakar yang digunakan relatif murah dan
                               resiko rendah
                       8).efficiency tinggi pada high altitude
                       9).kecepatan pesawat tinggi
                      10).ketinggian terbang tinggi

      Kerugian :  1).intensitas suara tinggi
                        2).konsumsi bahan bakar relatif tinggi
                        3).biaya maintenance tinggi
                        4).respons powernya kurang cepat pada low power
                              setting
                        5).perpindahan throtle dan respons power tidak
                              linear
                        6).landasan pacu yang diperlukan panjang

 Hukum Dasar pada gas turbine engine

Energi potensial & energi kinetik

Energi dapat diklasifikasikan menjadi 3 type : 

- potensial
- kinetic

Energi potensial

Energi potensial adalah energi yang memperngaruhi benda karena posisi (ketinggian) benda tersebut yang mana kecenderungan tersebut menuju tak terhingga dengan arah dari gaya yang ditimbulkan dari energi potensial tersebut.energi potensial didefinisan sebagai sesuatu yang memberikan kita kemamapuan untuk melakukan pekerjaan.sebagai induvidual mengatakan bahwa kita merasa ber energi penuh adalah mungkin mengindifikasi bahwa kita dapat melakukan banyak pekerjaan.

Energi dapat diklasifikasikan menjadi 2 tipe :

1).energi potensial (misalnya : pressure energi,heat energi,kimia energi,dll )
2).energi kinetic (misalnya : air flow energi,water flow energi,gases flow energi,dll )

Energi potensial diklasifiasikan menjadi 3 kelompok :

1).berdasarkan posisi / misalnya posisi dari ketinggian
2).berdasarkan distorsi / penyimpangan dari sebuah benda elastis
3).yang menghasilkan pekerjaan / kerja,usaha didalamnya termasuk energi kimia,energi pressure,dll

- energi pressure : misalnya udara bertekanan yang dihasilkan dari compressor
-energi potensial dalam satuan ft-lb atau in-pound
Potential energi : weight x height

  
 Energi kinetik

Energi kinetis atau energi gerak (juga disebut energi kinetik) adalah energi yang dimiliki oleh sebuah benda karena gerakannya.
Energi kinetic didevinisikan sebagai energi didalam gerakan ( misalnya energi kecepatan aliran gas,udara/angin,uap,air,dll) .untuk menghitung energi kinetic untuk sesuatu didalam gerakan,dengan rumus berikut ini.
E = 1/2 M x V2 dimana : E = energi
M = massa
V = kecepatan

Untuk menggunakan rumus,massa sebagai berat / gravitasi dan kecepatan dari obyek berupa
Feet / second.ini penting untuk mengubah satuan dengan foot-pounds.
Masaa = berat / gravitasi

 Prinsip bernoully
( convergent dan dyvergent)

Hukum ini pertama kali: dikemukakan oleh Daniel

Bernoully,dimana dikatakan bahwa massa udara yg melalui saluran convergent dan divergent,jumlah tekanan total/tekanan total adalah sama.,

- Convergent : tekanan dan temperature
menurun, kecepatan meningkat.

- Divergent : tekanan dan temperature
naik,kecepatan berkurang.

 Hukum newton

  Newton I : Suatu benda yg dalam keadaan diam akan tetap diam dan benda yg bergerak dalam kecepatan konstan dalam satu garis lurus akan tetap bergerak jika tidak ada gaya dari luar yg mempengaruhinya.Hukum ini biasa disebut hukum kelembaman.

 Newton II : Suatu benda yg bergerak teratur kemudian mendapat pengaruh gaya lain maka gerak dan arahnya berubah sebanding dengan gaya yang mempengaruhinya. Hukum ini biasa disebut percepatan . dimana Force = Mass x Acceleration.

Newton III : Setiap aksi akan menimbulkan reaksi sama besarnya dengan arah berlawanan. Atau biasa dirumuskan Action = - Reaction.