ARTIKEL ILMIAH
PENGGUNAAN TERMODINAMIKA DALAM PRINSIP KERJA
PESAWAT TERBANG
Disusun Oleh :
Muhammad Irham Mas’udi K2515052
Pendidikan Teknik Mesin
Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan
Universitas Sebelas Maret
PENGGUNAAN TERMODINAMIKA DALAM PRINSIP KERJA
PESAWAT TERBANG
Muhammad Irham Mas’udi
Jurusan Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan,
Universitas Sebelas Maret
Email : [email protected]
Abstrak
Pesawat terbang menjadi salah satu alat transportasi praktis yang dapat digunakan oleh umat manusia. Bukan hanya antar kota atau antar propinsi saja, bahkan antar negara Anda bisa sampai hanya dengan waktu yang singkat. Pesawat terbang menjadi penemuan yang sangat berpengaruh pada peradaban umat manusia, lalu bagaimana cara kerja pesawat terbang itu sendiri? Apakah Anda ingin tahu dengan cara kerjanya. Tentu bukan hanya untuk digunakan saja, Anda juga perlu untuk mengetahui bagaimana cara kerja dari pesawat terbang. Cara kerja pesawat terbang sangat dipengaruhi gaya-gaya aerodinamis, diantaranya gaya angkat, gaya hambat, gaya dorong, dan gaya berat. Berbagai komponen yang ada pada pesawat memiliki fungsinya masing-masing. Untuk bisa membuat pesawat terbang yang memegang peran kuncinya adalah komponen sayap pesawatnya. Selama penerbangan udara mengalir ke atas juga ke bawah. Udara yang mengalir di atas sayap lebih cepat dari udara yang mengalir dibawah sayap, sehingga tekanan udara di atas pesawat lebih rendah. Disaat yang sama pula udara di bawah sayap dibelokan ke bagian bawah, dengan demikian terjadi gaya angkat udara berdasarkan prinsip aksi-reaksi. Gaya dorong ini yang dibutuhkan pesawat untuk terbang. Untuk bergerak ke depan (baik di darat maupun di udara), pesawat memerlukan daya dorong yang dihasilkan oleh tenaga penggerak atau yang biasa di sebut dengan mesin (engine). Daya dorong yang nantinya di hasilkan oleh engine ini biasa disebut dengan thrust. Terdapat beberapa jenis engine dari pesawat, diantaranya: Piston Engine,Turbojet Engine,Turboporop Engine,Turbofan Engine,Turboshaft Engine. Turbo-turbo inilah yang akan kita bahas lebih lanjut mengenai cara kerjanya berdasarkan prinsip termodinamika. Mesin turbojet sendiri adalah penerapan dari siklus termodinamika Brayton.
A. Pendahuluan
Pesawat terbang adalah pesawat udara yang lebih berat dari udara, bersayap tetap, dan dapat terbang dengan tenaga sendiri. Secara umum istilah pesawat terbang sering juga disebut dengan pesawat udara atau kapal terbang atau cukup pesawat dengan tujuan pendefenisian yang sama sebagai kendaraan yang mampu terbang di atmosfer atau udara. Namun dalam dunia penerbangan, istilah pesawat terbang berbeda dengan pesawat udara, istilah pesawat udara jauh lebih luas pengertiannya karena telah mencakup pesawat terbang dan helikopter.
Semua jenis pesawat, baik pesawat capung atau pesawat super jumbo memiliki prinsip dasar atau cara kerja pesawat terbang yang sama untuk bisa terbang. Kemampuan terbang ini dipengaruhi oleh gaya-gaya aerodinamis, diantaranya gaya angkat, gaya hambat, gaya dorong, dan gaya berat. Berbagai komponen yang ada pada pesawat memiliki fungsinya masing-masing. Untuk bisa membuat pesawat terbang yang memegang peran kuncinya adalah komponen sayap pesawatnya. Selama penerbangan udara mengalir ke atas juga ke bawah. Udara yang mengalir di atas sayap lebih cepat dari udara yang mengalir dibawah sayap, sehingga tekanan udara di atas pesawat lebih rendah. Disaat yang sama pula udara di bawah sayap dibelokan ke bagian bawah, dengan demikian terjadi gaya angkat udara berdasarkan prinsip aksi-reaksi. Gaya dorong ini yang dibutuhkan pesawat untuk terbang. Untuk bergerak ke depan (baik di darat maupun di udara), pesawat memerlukan daya dorong yang dihasilkan oleh tenaga penggerak atau yang biasa di sebut dengan mesin (engine). Daya dorong yang nantinya di hasilkan oleh engine ini biasa disebut dengan thrust.
Terdapat beberapa jenis engine dari pesawat, diantaranya: Piston Engine,Turbojet Engine,Turboporop Engine,Turbofan Engine,Turboshaft Engine.
B. METODE
C. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pesawat mempunyai Powerplant Tenaga Penggerak digunakan untuk bergerak. Untuk bergerak ke depan (baik di darat maupun di udara), pesawat memerlukan daya dorong yang dihasilkan oleh tenaga penggerak atau yang biasa di sebut dengan mesin (engine). Daya dorong yang nantinya di hasilkan oleh engine ini biasa disebut dengan thrust.
Terdapat beberapa jenis engine dari pesawat, diantaranya:
Piston Engine Turbojet Engine Turboprop Engine Turbofan Engine Turboshaft Engine
1. Piston Engine
Piston engine atau biasa di sebut dengan mesin torak, merupakan mesin yang menggunakan piston (torak) sebagai tenaga penggerak. Piston yang bergerak naik turun di hubungkan dengan crankshaft melalui connecting rod untuk memutar propeller atau baling-baling. Piston dapat bergerak naik turun karena adanya pembakaran antara campuran udara dengan bahan bakar (fuel) di dalam ruang bakar (combustion chamber). Pembakaran di dalam combustion chamber menghasilkan expansion gas panas yang dapat menggerakkan piston bergerak naik turun.
Pesawat yang menggunakan mesin piston umumnya menggunakan propeller sebagai tenaga pendorong untuk menghasilkan thrust. Bentuk penampang dari propeller itu sendiri sama seperti sayap, yaitu juga berbentuk airfoil. Sehingga pada saat propeller berputar maka akan menghasilkan gaya dorong atau thrust sehingga pesawat dapat bergerak ke depan. Pesawat dengan mesin piston ini merupakan jenis pesawat ringan atau biasa di sebut dengan light aircraft. Pesawat ini mempunyai daya jelajah yang kecil dan ketinggian terbang yang tidak terlalu tinggi.
2. Turbojet Engine
Pada dasarnya, prinsip kerja dari semua engine pesawat sama. Yaitu memanfaatkan energi pembakaran antara campuran bahan bakar dengan udara yang menghasilkan expansion gas yang terjadi di dalam ruang bakar cc (combustion chamber). Dinamakan turbojet engine karena mesin ini menggunakan turbin dalam membangkitkan tenaga, dan jet yang artinya semburan/ pancaran. Yaitu semburan hasil pembakaran di dalam cc keluar menuju turbin dan memutar turbin, lalu turbin memutar compressor dan menggerakkan komponen engine lainnya.
Gambar 2. Turbojet Engine
3. Turboprop Engine
Prinsip kerja dari Turboprop engine sama dengan proses kerja dari turbojet engine. Yang membedakannya adalah terdapatpropeller pada engine ini. Propeller terhubung dengan turbin dan compressor melalui shaft.
4. Turbofan Engine
Sama dengan turboprop, prinsip kerja turbofan sama dengan turbojet engine. Perbedaannya adalah pada turbofan engine terdapat fan di depan compressor. Fan berfungsi untuk
menghisap udara masuk ke dalam compressor.
Gambar 4. Turbofan Engine
5. Turboshaft Engine
Prinsip kerja dari turboshaft engine juga hampir sama dengan turbojet engine. Engine ini di gunakan pada helikopter. Pada turboshaft engine, terdapat shaft yang terhubung dengan turbin. Shaft ini menghubungkan ke main rotor atau baling-baling pada helikopter. Rotor pada helikopter mempunyai penampang berbentuk airfoil.
Gambar 5. Turboshaft Engine
perkembangan selanjutnya, siklus Brayton lebih diaplikasikan khusus ke mesin-mesin turbojet dan turbin gas.
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. 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.
Gambar 6. Potongan Penampang Combustor dan Bagian-bagiannya
menjadi energi mekanis putaran poros turbojet. Karena turbin dan kompresor berada pada satu poros, maka energi putar poros digunakan untuk memutar kompresor turbojet.
Berbeda dengan mesin turbin gas pada PLTG yang keseluruhan energi panas udara hasil pembakaran dikonversikan menjadi putaran poros, pada mesin turbojet sebagian besar energi panas justru tidak digunakan untuk memutar turbin. Sebagian besar energi panas ini
dikonversikan menjadi daya dorong (thrust) mesin yang dibutuhkan untuk penggerak pesawat terbang. Untuk mengkonversi energi panas udara menjadi daya dorong, pada sisi keluaran turbin mesin jet terdapat nozzle besar dengan penampang selebar mesin jet itu sendiri. Nozzle besar ini berfungsi untuk merubah energi panas udara menjadi kecepatan tinggi sebagai komponen daya dorong.
Gambar 7. Prinsip Nozzel Konvergen-Divergen Digunakan Pada Exhaust Mesin Turbojet Sebuah pesawat jet yang mampu mencapai kecepatan supersonik (melebihi kecepatan suara) pastiexhaust mesin jetnya menggunakan nozzle divergen. Nozzle konvergen-divergen adalah sebuah pipa yang mengalami pencekikan aliran di tengah-tengahnya, menghasilkan bentuk seperti jam pasir yang tidak simetris antara sisi inlet dan outlet nozzle. Nozzle ini berfungsi untuk mengakselerasi gas panas dengan tekanan tinggi sehingga
mencapai kecepatan supersonik. Bentuk nozzle yang sedemikian rupa membuat energi panas yang mendorong aliran udara terkonversi secara maksimal menjadi energi kinetik.
Penampang cekik dari nozzle pada mesin jet bertujuan untuk menciptakan restriksi aliran udara panas sehingga tekanan udara meningkat, yang biasanya bahkan
mendekati chocking atau berhentinya aliran udara. Lalu aliran udara panas yang tercekik ini secara tiba-tiba diekspansikan hingga mencapai atau paling tidak mendekati tekanan
atmosfer. Ekspansi ini diakibatkan oleh bentuk nozzle divergen setelah bagian cekiknya. Ekspansi cepat hingga mencapai tekanan atmosfer inilah yang mengkonversikan energi panas udara menjadi daya dorong pesawat.
D. SIMPULAN
Tekanan dan temperatur udara panas di titik masuk nozzle. Tekanan ambien keluaran nozzle.
Efisiensi dari proses ekspansi. Efisiensi ini meliputi kerugian atas adanya gesekan, atau adanya kemungkinan kebocoran pada nozzle.
rumus perhitungan gaya dorong netto mesin turbojet:
Dimana:
= laju massa aliran udara di dalam mesin jet.
= laju massa aliran bahan bakar di dalam mesin jet. = kecepatan keluaran fluida jet.
= kecepatan udara masuk ke inlet mesin jet.
DAFTAR PUSTAKA
Suwachid. 2006. Ilmu Turbin. Surakarta : UNS Press
Dixon, S. L. ; penerjemah, Sutanto. 1986. Mekanika Fluida : Termodinamika Mesin Turbo. Jakarta : UI Press
Cengel, Y.A. dan Boles, M.A. 2000. Thermodynamics: An Engineering Approach 5th
Edition. New York : McGraw-Hill. Inc
Anonymous. 2005. Brayton Cycle (Gas Turbine) for Propulsion Application Analysis.
Kenshington : Engineering-4e
Cumpsty, Nicholas .2003. "3.1". Jet Propulsion (2nd ed.): Cambridge University Press.
Springer, Edwin H. 2001. Constructing A Turbocharger Turbojet Engine: Turbojet Technologies.
Theodore, Stevens and Henry M. Hobart .1906. Steam Turbine Engineering : MacMillan Company.
Garrett, Scaife .2000. From Galaxies to Turbines: Science, Technology, and the
