Dunia penerbangan berkembang dengan cepat seiring dengan perkembangan mesin pendorong (propulsi) nya. Pada awalnya, pesawat terbang hanya digerakkan dengan mesin piston yang memutar propeller, namun seiring dengan kebutuhan kecepatan dan performa yang makin tinggi, terciptalah mesin propulsi pesawat dengan prinsip kerja turbin gas yang saat ini sangat intensif digunakan baik untuk pesawat berpenumpang skala besar (Boeing, Airbus dan lain-lain) maupun pesawat tempur hingga wahana kecepatan tinggi (supersonik dan hipersonik) yang meliputi turbojet, turbofan, turboprop, turboshaft,ramjet dan modifikasi lainya .
Lalu, bagaimanakah mesin-mesin ini bekerja? untuk memahaminya, pertama kita pelajari dulu cara kerja dari turbojet. Turbojet memiliki komponen utama Inlet, Kompresor, Combustor (ruang bakar), Turbin dan Nozzle seperti gambar berikut :
Cara kerjanya adalah sebagai berikut :
- Udara dari depan pesawat masuk ke turbojet melewati inlet. Inlet ini berupa difuser, yaitu bagian untuk merubah kecepatan udara yang tinggi menjadi tekanan yang tinggi dengan cara menurunkan kecepatan. Perlu di ketahui bahwa kompresor akan optimal bekerja ketika udara masuk berkecepatan rendah.
- Udara berkecepatan rendah dan tekanan tinggi diatas kemudian memasuki kompresor untuk dikompresi atau dinaikkan tekananya, penaikan tekanan ini sangatlah tinggi dan rapat, semakin tinggi maka performa mesin akan semakin baik. Penaikan tekanan ini disertai dengan naiknya suhu.
- Setelah udara memiliki tekanan dan suhu yang tinggi, udara tersebut dicampur dengan bahan bakar sehingga dengan mudah terbakar dan menghasilkan ledakan di dalam ruang bakar. Berbeda dengan mesin piston, pada turbin gas, pemantikan (busi) hanya dilakukan sekali pada saat starter, mirip seperti menyalakan kompor gas.
- Udara hasil pembakaran yang sangat panas dan berkecepatan tinggi ini kemudian menggerakkan turbin. Turbin berfungsi merubah energi panas dan energi dari kecepatan udara tersebut menjadi putaran yang sangat tinggi. Adapun turbin tersebut dihubungkan dengan kompresor, sehingga kompresor dapat menjalankan fungsinya seperti penjelasan ke-1 sehingga mesin akan berputar secara kontinyu.
- Setelah melewati turbin, energi dari udara masih cukup tinggi. Energi tekanan dan suhu yang tinggi tersebut diubah menjadi energi kecepatan dengan menggunakan nozzle, keluar dari nozzle, udara memiliki kecepatan yang sangat tinggi sehingga menghasilkan gaya dorong atau kita kenal dengan thrust yang sangat tinggi pula. Gaya dorong inilah yang dimanfaatkan untuk mendorong pesawat.
Adapun, untuk meningkatkan performa dari turbojet, dilakukan beberapa modifikasi dengan menambahkan komponen seperti berikut ini :
- Afterburner
Afterburner adalah pembakaran bahan bakar yang dilakukan sebelum mencapai nozzle dengan memanfaatkan gas panas sisa turbin, sehingga “semburan” gas panas langsung dimanfaatkan untuk mendorong pesawat yang mana dapat diperoleh thrust yang sangat besar, meskipun tentu saja menjadi lebih boros. Afterburner biasa digunakan untuk pesawat tempur berkecepatan sangat tinggi.
2. Turboprop
Selain untuk memutar kompresor, pada mesin turboprop putaran turbin dimanfaatkan untuk memutar propeller, sehingga diperoleh efisiensi mesin yang lebih tinggi pada kecepatan sedang.
Turbin jenis ini biasa digunakan pada pesawat-pesawat berkecepatan dan kapasitas penumpang sedang.
3. Turboshaft
Identik dengan turboprop, turboshaft memanfaatkan putaran turbin untuk memutar poros (shaft) guna keperluan lain, seperti misalkan komponen-komponen penggerak, pembangkit listrik, dan lain-lain.
4. Turbofan
Mesin ini juga identik dengan turboprop, hanya saja putaran turbin dimanfaatkan untuk memutar fan. Berbeda dengan propeller, fan berada didalam saluran mesin dan menghasilkan kompresi juga untuk kompresor, sehingga dikenal istilah by-pass ratio, yaitu rasio udara yang melalui mesin inti (turbin) dengan udara yang tidak melalui turbin. Semakin tinggi by-pass ratio, mesin akan semakin efisien pada kecepatan rendah, dapat diamati pula bahwa turboprop memiliki by-pass ratio yang jauh lebih besar dari turbofan.
Turbofan ini sangat terkenal digunakan pada pesawat-pesawat jet komersial dengan kapasitas dan kecepatan tinggi, seperti boeing dan airbus, karena efisien pada kecepatan tinggi dan jarak yang relatif jauh.
5. Ramjet
Berbeda dengan mesin-mesin diatas, ramjet hanya terdiri dari inlet, ruang bakar dan nozzle. Ramjet ini digunakan pada kecepatan yang sangat tinggi, pada kecepatan yang sangat tinggi itulah udara yang memasuki inlet akan diperlambat sehingga tekanan dan suhunya akan meningkat secara drastis, oleh karena itu tidak diperlukan kompresor. Tekanan dan suhu yang sangat tinggi tersebut kemudian dicampur dengan bahan bakar dan langsung digunakan utuk menghasilkan udara berkecepatan tinggi melalui nozzle (perlu diperhatikan bahwa tidak terdapat turbin pada sistem ini).
Dari penjelasan diatas, tentunya tidak ada mesin yang “terbaik” dan paling efisien, melainkan hal tersebut tergantung dari kondisi kerjanya (ketinggian, kecepatan, kebutuhan dan lain-lain).
ANALISIS TURBIN GAS MENGGUNAKAN METODE CFD
Karena kompleksitas dari sistem turbin gas propulsi baik secara aerodinamis maupun termodinamis, seringkali kita mengalami kesulitan dalam analisanya, terutama jika kita ingin memodifikasi beberapa bentuk atau konfigurasi yang belum pernah digunakan sebelumnya, sehingga tidak terdapat persamaan empiris maupun katalog data untuk mengestimasikanya, maka hadirlah metode yang sudah cukup lama digunakan untuk menyelesaikan permasalah desain turbin gas ini menggunakan bantuan komputer yaitu permodelan dan simulasi menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk aliran fluida dan perpindahan kalor serta Finite Element Analysis (FEA) untuk analisis strukturnya.
simulasi pembakaran pada ruang bakar menggunakan CFD openFOAM
>>KLIK DI SINI UNTUK MEMPELAJARI SELENGKAPNYA TENTANG CFD!
Salah satu software FEA yang paling banyak digunakan untuk mendesain turbin gas ini adalah MSC Nastran, yang merupakan software FEA original pertama yang ada di dunia, yang pada awalnya digunakan oleh NASA untuk simulasi struktur (Nastran = NASA Structural Analysis) yang hingga kini terus berkembang kemampuanya pada aplikasi ini, seperti analisis turbomachinery, getaran pada blade dan poros, fatigue, bahkan hingga analisis non-linear dan explicit seperti simulasi skenario lepasnya blade pada turbin gas yang mengakibatkan kegagalan yang serius. Selengkapnya tentang MSC Nastran.
Polyfoam atau sering disebut depron pada dasarnya adalah nama pasar dari styrofoam padat (densitas tinggi) yang tersedia pada ketebalan hingga 2mm. Polyfoam biasa digunakan untuk insulasi ruangan agar panas/dingin tidak keluar dari ruangan. Bahan ini memiliki sifat yang sangat kaku namun cukup ringan serta mudah dipotong-potong sesuai kreatifitas sehingga ideal untuk bahan aeromodelling. Cukup disambung dengan lem tembak (glue gun) atau dengan lem berbasis epoxy (araldite, dexton, dll) dan biasanya menggunakan rangka penguat berupa triplek (polywood). Pesawat aeromodelling dengan bahan ini dapat menghasilkan airframe yang sangat ringan. Kekurangan dari bahan polyfoam adalah sifatnya yang sekali patah maka patahan akan sangat fatal dan melebar dengan cepat sehingga terkadang sudah tidak layak digunakan lagi dan harus membuat baru. kekerasanya kurang tinggi, sehingga mudah tergores atau cacat pada permukaanya. Adapun kesulitan dalam mendesain pesawat polyfoam adalah karena polyfoam berupa lembaran, maka membatasi pembuat untuk mendesain dengan hasil akhir yang berbentuk kotak-kotak. Kemudian, bahan ini tidak dapat dilem dengan sembarang lem, misalkan lem CA dapat melelehkan bahan ini. Namun, ditangan seniman yang sudah handal, hal tersebut bukanlah batasan.
Styrofoam atau expanded polystrine sering disebut juga dengan gabus adalah bahan yang didominasi oleh udara didalamnya, sehingga sangat ringan dan mudah dibentuk. Tidak seperti polyfoam, styrofoam tersedia dalam ketebalan dalam orde sentimeter sehingga dalam desainya sering digunakan tumpukan styrofoam yang diamplas hingga terbentuk kurva yang diinginkan. Dengan proses pengamplasan tersebut, bahan ini dapat menghasilkan hasil akhir dengan lekukan yang sangat baik dan kontinyu kemudian mudah diberi warna dengan ditempeli kertas minyak yang tipis maupun dicat dengan campuran cat kayu. Material styrofoam cukup diminati karena kemudahanya dalam menemukan material tersebut di toko alat tulis biasa ataupun toko khusus yang menjual styrofoam dengan spesifikasi tertentu. Namun karena sifat bahan ini tidak sekaku dan sekeras polyfoam, sehingga kerusakan saat terjadi crash dapat sangat fatal dan bisa hancur menjadi bagian-bagian kecil. serta permukaanya mudah rusak saat dibawa mobilitas ataupun dilapangan, hanya dapat dilem dengan lem tertentu karena mudah leleh, serta bahan ini umumnya hanya dibuat sebagai fuselage karena dengan desain yang salah, jika digunakan pada sayap sangat beresiko patah saat terbang.
