PENGARUH BYPASS RATIO OVERALL PRESSURE RATIO, DAN TURBINE INLET TEMPERATURE TERHADAP SFC PADA GAS-TURBINE ENGINE Muhamad Jalu Purnomo Jurusan Teknik Penerbangan Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Jalan Janti Blok-R Lanud Adisutjipto, Yogyakarta Abstrak 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. Kinerja gas-turbine engine yang baik adalah kinerja engine yang mampu menghasilkan tenaga sebesar mungkin dengan Specific Fuel Consumption (SFC) serendah mungkin. dengan menggunakan variasi nilai bypass ratio, overall pressure ratio, dan turbine inlet temperature akan diperoleh nilai specific fuel consumption. Abstract Gas-turbine engine is a tool that utilizes gas as a fluid to rotate the internal combustion turbine. In gas turbine kinetic energy is converted into mechanical energy through the pressurized air rotating turbine wheel to produce power. System simplest gas turbine consists of three components, namely the compressor, combustor and turbine gas. Performance of gas-turbine engine that is both performance engine capable of generating power at possible with specific fuel consumption (SFC) as low as possible. by using a variation of the bypass ratio, overall pressure ratio and turbine inlet temperature value will be specific fuel consumption.
1.
Pengantar
Pengaruh variabel Thermodinamika dapat mempengaruhi konsumsi bahan bakar pada desain gas-turbine engine. Beberapa yang dimasukan dalam variabel Thermodinamika antara lain bypass ratio, overall pressure ratio dan turbine inlet temperature yang bisa berpengaruh pada Specific fuel consumption. Specific fuel consumption (pemakaian bahan bakar spesifik) disimbolkan SFC adalah banyaknya bahan bakar yang diperlukan untuk menghasilkan satu satuan gaya/ thrust. Specific fuel consumption dipengaruhi oleh antara lain bypass ratio, overall pressure ratio, dan turbine inlet temperature. Bypass Ratio (B) dari gas-turbine engine adalah rasio antara laju aliran massa udara yang ditarik melalui disk fan yang melewati compressor (laju aliran massa udara dingin) dengan laju aliran massa yang melewati gas generator (laju aliran massa udara panas). Overall Pressure Ratio ( ) adalah perbandingan antara tekanan pada output compressor dan tekanan pada output difuser. Sedangkan Turbine Inlet Temperature (TIT) adalah suhu gas hasil pembakaran pada ruang bakar saat mereka memasuki unit turbin.
2.
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 [4]. Kata "turbofan" merupakan gabungan kata "turbine" dan "fan". Turbine yang dimaksud adalah engine gas turbin yang merubah energi kalor yang diperoleh dari proses pembakaran di ruang bakar menjadi energi mekanik, sedangkan “fan” atau “ducted fan” (fan dengan salurannya) untuk merubah energi mekanik menjadi energi kinetik dalam bentuk akselerasi (percepatan) udara melalui exhaust nozzle. Perbandingan massa udara yang melalui ducted fan dengan massa udara yang melalui gas generator (kompresor, combustion chamber dan turbin) disebut “bypass ratio”. Sebagian besar aliran udara yang melalui bypass ratio berkecepatan rendah meskipun digabung dengan kecepatan yang lebih tinggi dari aliran gas hasil pembakaran yang melalui exhaust nozzle, namun demikian net kecepatan pada exhaust turbofan jauh lebih rendah dari pada mesin turbojet murni.
Gambar 1. Bagan Turbofan dengan Diagram T-s Siklus Ideal
Fluida kerja (udara) yang dilewatkan bypass hanya sebagian kecil. Semakin meningkatnya rasio udara yang melalui bypass terhadap udara yang melalui bagian core engine. Kinerja gas-turbine engine yang baik adalah kinerja engine yang mampu menghasilkan tenaga sebesar mungkin dengan specific fuel consumption serendah mungkin. Tabel 1. Data awal turbofan [5]
Parameter Ketinggian (H) Temperatur Awal (Ta) Tekanan Awal (Pa) PB R Cpa
Nilai 11.000 m 216,5 K 0,225 bar 1,25 bar 287 J/Kg.K 1.005 J/Kg.K
Tabel 1 (lanjutan). Data awal turbofan
Parameter Cpg Efisiensi Fan, dan Compressor ( ) Efisiensi Diffuser Efisiensi Turbin ( ) Efisiensi Nozzle ( )
Nilai 1.147 J/Kg.K 0,9 0,9 0,9 0,95
Efisiensi Mekanik ( ) Efisiensi Pembakaran (
0,99 0,97 1,4 1,333 42.800.000 J/Kg
)
a g Entalphi (Hc)
3.
Cold Section
Gambar 2. Turbofan Dengan Diagram T-s Siklus Aktual Pada Cold Thrust [5]
3.1
Kompresi pada difuser (Proses a – 01)
Dimana nilai Ca dapat diketahui melalui persamaan berikut : dimana Maka dapat diperoleh nilai Ca sebagai berikut :
Masukkan kedalam persamaan untuk T01 dan P01:
3.2
Kompresi pada fan (Proses 01 – 02)
Karena
3.3
maka
Ekspansi pada nozzle (Proses 02 – 08)
Karena
, maka nozzle dalam keadaan chocked maka
4.
Hot Section
Gambar 3. Turbofan Dengan Diagram T-s Siklus Aktual Pada Hot Thrust [5]
4.1
Kompresi pada kompresor (Proses 02 – 03) Untuk menghitung T03adalah sebagai berikut:
4.2
Proses pembakaran di ruang bakar (Proses 03 – 04 )
4.3
Ekspansi pada High Pressure Turbine (Proses 04 – 05)
Indeks konversi efisiensi politropis ekspansi turbin ( t) dapat dihitung sebagai berikut:
Maka tekanan pada high pressure turbine dapat dihitung sebagai berikut :
4.4
Ekspansi pada Low Pressure Turbine (Proses 05 – 06)
Maka tekanan pada low pressure turbine dapat dihitung sebagai berikut :
Dalam menghitung propertis di station 7 yang dilakukan pertama kali adalah dengan pengecekan keadaan nozzle apakah dalam keadaan choked atau unchoked. Seperti sebelumnya, rasio tekanan nozzle harus diperiksa kembali terhadap rasio tekanan kritisnya yang ditulis sebagai berikut :
Jika
Subtitusi
, nozzle dalam keadaan chocked dan
dan
kedalam persamaan:
Density dari gas di exhaust ditulis:
Area spesifik ditemukan menggunakan persamaan kontinuitas sebagai berikut:
Entalpi pembakaran pada suhu 20°C yaitu melalui definisi sebelumnya maka persamaan menjadi :
J/Kg. Pemecahan untuk
dan
Specific fuel consumption dapat dievaluasi sehingga persamaan menjadi :
5.
Kesimpulan
Hasil Perhitungan dengan menggunakan variasi nilai bypass ratio, overall pressure ratio, dan turbine inlet temperature diperoleh nilai-nilai berikut :
Gambar 4. Pengaruh Variabel Termodinamika terhadap Specific Fuel Consumption
1. Peningkatan TIT memiliki kecenderungan pada peningkatan konsumsi bahan bakar. Hal tersebut terjadi karena kebutuhan konversi energi pada saat pembakaran meningkat yang kemudian berdampak pada peningkatan konsumsi bahan bakar.
2. Peningkatan nilai Bypass ratio memberi efek positif pada peningkatan efisiensi specific fuel consumption. Hal ini dapat terlihat dari persamaan maka perbesaran nilai B menyebabkan nilai dari sfc mengalami penurunan nilai. 3. Overall pressure ratio berdampak pada peningkatan nilai efisiensi dari sfc, hal tersebut dikarenakan tekanan output kompresor meningkat seiring peningkatan nilai overall pressure ratio. Peningkatan tekanan ini tentu mempengaruhi suhu pada saat masuk combution chamber yang berpengaruh pada kebutuhan fuel untuk dibakar. Sehingga semakin tinggi suhu masuk combution chamber semakin kecil kebutuhan bahan bakarnya dan semakin efisien nilai dari sfc. 4. Bahwa bypass ratio merupakan faktor paling memengaruhi nilai dari specific fuel consumption. Tingkat penurunan rata-rata konsumsi bahan bakar pada fan pressure ratio adalah 9,34%, bypass dengan 64, 80%, dan overall pressure ratio dengan 23,82%. Sedangkan variabel turbine inlet temperature menunjukkan peningkatan konsumsi bahan bakar dengan rata-rata sebesar 4,87%.
6.
Saran 1. Adanya pertimbangan tentang efek instalasi engine terhadap peningkatan variabel optimasi kinerja engine. 2. Varian pada tiap ketinggian dan kecepatan jelajah terbang. 3. Pemodelan turbofan engine menggunakan software Matlab ataupun PARA untuk memudahkan proses perhitungan dan analisis.
Daftar Pustaka [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Marwan Fakhri Basher, 2013, Optimum Turbofan Engine Performance Through Variation of Bypass Ratio. Engineering and Development. Onder Turan dan T. Hikmet Karakoc, 2009, Compressor Effects on Specific Fuel Consumption of Kerosene-fueled Civil Turbofans, Civil Aviation. Ujam A. J., 2013, Parametric Analysis of a Turbojet engine with reduced inlet pressure to the compressor, IOSR Journal of Engineering. Inra Sumahamijaya, 1997, Pengertian gas-turbine engine, Aviation Magazine. Cohen, 1972, Gas Turbine Theory. http://www.aerospaceweb.org
