Macam-macam Mesin Jet

Seperti yang telah kita bahas pada artikel sebelumnya, mesin jet adalah mesin reaksi yang mengeluarkan fluida jet berkecepatan tinggi pada sisi belakang melalui nozzle sehingga menghasilkan daya dorong ke depan sesuai dengan hukum aksi-reaksi (Hukum Newton Ketiga). Fluida jet yang dihasilkan oleh mesin jet dapat berupa gas maupun air. Mesin jet yang menggunakan fluida gas, pasti di dalam prosesnya terjadi proses pembakaran. Sedangkan untuk mesin jet air, tekanan air dibangkitkan oleh adanya impeler dan exhaust nozzle.
20140409-040755 AM.jpg

Macam-macam Mesin Jet

Mesin jet dapat dikelompokkan menjadi lima macam yakni mesin jet air breathing, non-continuous combustion, roket, water jet, dan jet hybrid. Mesin jet air breathing adalah jenis mesin jet yang menggunakan udara atmosfer sebagai fluida kerja. Roket menyimpan bahan bakar dan udara untuk kebutuhan pembakaran di dalam bodi roket. Water jet adalah mesin jet yang menggunakan air sebagai fluida kerjanya. Sedangkan mesin jet hybrid adalah tipe mesin jet yang menggunakan dua atau lebih konsep mesin jet yang berbeda di dalam satu sistem.

Berikut ini adalah berbagai tipe mesin jet yang termasuk ke dalam empat jenis mesin jet di atas:

Turbojet
Turbojet adalah salah satu tipe mesin jet yang menggunakan konsep turbin gas sebagai prinsip dasarnya. Udara masuk melalui sisi inlet, melewati kompresor, sedemikian rupa sehingga pada sisi keluaran kompresor udara mencapai tekanan tertentu. Udara bertekanan tersebut langsung masuk ke area combustor, dicampur dengan bahan bakar melalui proses pengkabutan, dan diikuti dengan proses pembakaran. Proses pembakaran akan mengakibatkan udara panas berekspansi ke arah turbin. Turbin gas berfungsi untuk mengkonverikan energi panas udara hasil pembakaran menjadi energi mekanik putaran poros. Dan karena turbin dan kompresor didesain berada pada satu poros, maka kebutuhan energi untuk memutar kompresor berasal dari energi putaran poros yang diakibatkan oleh turbin tersebut.
20140326-060158 PM.jpg

Skema Mesin Turbojet
(Sumber)

Sebagian besar energi panas hasil proses pembakaran dikonversikan menjadi gaya dorong mesin jet dengan jalan mengeluarkan udara panas tersebut melewati exhaust nozzle. Exhaust nozzle ini berfungsi untuk mengkonversikan energi panas udara hasil pembakaran, menjadi energi kinetik kecepatan tinggi untuk menciptakan daya dorong ke depan. Untuk lebih memahami prinsip kerja mesin turbojet, silahkan baca artikel berikut.

    Keuntungan: desain yang simpel, sangat efisien untuk kendaraan berkecepatan supersonik.
    Kerugian: tidak efisien untuk kendaraan kecepatan subsonik, suara sangat bising.
    Aplikasi: pesawat jet tempur, kendaraan pemecah rekor kecepatan darat.

Turbofan
Turbofan memiliki prinsip kerja mirip dengan turbojet yang sama-sama menggunakan konsep gas turbin. Yang membedakan antara keduanya adalah digunakannya kipas (fan) berukuran besar yang berada di sisi inlet kompresor. Sama dengan kompresor, kipas juga berada satu poros dengan turbin. Sehingga energi mekanik putaran kipas juga berasal dari turbin gas. Kipas turbofan berfungsi untuk mensupply udara dalam jumlah yang lebih besar ke dalam sistem turbofan, menciptakan aliran udara dengan debit yang tinggi. Sebagian udara ini tidak masuk ke sistem gas turbin, akan tetapi mengalir melewati sisi luar turbofan.
20140404-110622 AM.jpg

Skema Mesin Turbofan
(Sumber)

Udara panas hasil pembakaran turbin gas, akan keluar melewati exhaust nozzle dan menciptakan daya dorong. Akan tetapi daya dorong terbesar mesin ini justru tercipta dari aliran udara yang tidak melewati sistem turbin gas. Hal ini dikarenakan sekalipun kecepatan aliran udara ini tidak terlalu besar, namun debit udara yang besar akan menciptakan gaya dorong yang lebih besar daripada gaya dorong yang dibangkitkan oleh sisi turbin gas. Sistem ini menghasilkan efisiensi yang lebih baik untuk kecepatan di bawah kecepatan suara (subsonik).

    Keuntungan: lebih efisien untuk digunakan pada kecepatan subsonik, suara tidak sebising mesin turbojet.
    Kerugian: desain yang lebih kompleks karena menggunakan dual-cassing, lebih berpotensi terjadi serangan es pada sisi inlet mesin, bobot yang lebih berat karena terkadang membutuhkan ukuran sudu kipas yang besar.
    Aplikasi: sangat umum digunakan pada pesawat-pesawat terbang komersial.

Prinsip Kerja Mesin Jet

Jet adalah sebuah fenomena pancaran fluida mengarah ke medium sekitar, yang disebabkan oleh adanya nozzle, celah/lubang, dan orifice. Sedangkan mesin jet adalah mesin reaksi yang mengeluarkan fluida jet berkecepatan tinggi pada sisi belakang melalui nozzle sehingga menghasilkan daya dorong ke depan sesuai dengan hukum Newton ketiga. Hukum Newton ketiga yang berbunyi: setiap gaya aksi, pasti ada gaya reaksi yang besarnya sama namun memiliki arah yang berlawanan; menjadi prinsip dasar dari mesin jet. Gaya reaksi ini disebut dengan thrust. Salah satu contoh aplikasi hukum ini yaitu jika kita melihat balon tiup yang terlepas ke udara, mengeluarkan udara bertekanan melalui sisi belakang diikuti dengan gaya dorong ke depan.

20140331-074300 AM.jpg

Hukum Newton Ketiga Menjadi Prinsip Dasar Mesin Jet
(Sumber)

Semua mesin jet berfungsi untuk menghasilkan fluida jet dan mengeluarkannya melalui exhaust nozzle dan menghasilkan daya dorong. Fluida jet dapat dihasilkan melalui proses pembakaran, penyimpanan tekanan, dan juga pembangkitan tekanan. Contoh mesin jet yang melakukan proses pembakaran adalah mesin turbojet (baca artikel turbojet berikut).

20140326-060158 PM.jpg

Skema Mesin Turbojet
(Sumber)

Contoh mesin jet yang menyimpan fluida bertekanan adalah pada roket air. Tangki roket air sebagian berisi air, sedangkan bagian lain diisi udara bertekanan. Pada saat roket terlepas udara menekan air, air bertekanan keluar melewati nozzle untuk berekspansi dan menghasilkan gaya thrust.

20140331-015822 PM.jpg

Roket Air Menyimpan Energi Berupa Udara Bertekanan di Dalam Bodi Roket
(Sumber)

Mesin kendaraan jetski membangkitkan tekanan fluida air dengan menggunakan beberapa buah propeler, dan mengalirkan air bertekanan tersebut keluar melewati sebuah nozzle untuk membangkitkan daya dorong kendaraan ini.

20140331-013017 PM.jpg

Mesin Pompa Jet pada Jetski
(Sumber)

Selain memproduksi fluida jet, setiap mesin jet pasti dilengkapi dengan satu komponen penting yakni nozzle pendorong. Nozzle pendorong menjadi komponen paling penting pada setiap mesin jet karena setiap fluida jet keluar melewati nozzle ini. Nozzle pendorong ini berfungsi untuk mengkonversi fluida bertekanan, berkecepatan rendah, dan biasanya gas panas, menjadi bertekanan rendah, berkecepatan tinggi, dan bertemperatur lebih dingin melalui proses ekspansi adiabatik.

20140328-031047 PM.jpg

Prinsip Nozzle Konvergen-Divergen Digunakan Pada Exhaust Mesin Jet
(Sumber)

Penampang nozzle yang mengecil akan menciptakan aliran fluida tercekik sehingga membantu menaikan tekanan fluida pada sisi mesin. Sisi cekik nozzle ini disebut dengan penampang konvergen. Mesin jet yang menggunakan nozzle konvergen saja akan hanya menghasilkan kecepatan fluida jet subsonik. Sedangkan jika sebuah mesin jet menggunakan nozzle konvergen-divergen, fluida jet yang keluar melewati nozzle tersebut akan mencapai kecepatan supersonik.

Referensi:

Prinsip Kerja Mesin TurboJet

Mesin turbojet menjadi salah satu jenis mesin penggerak pesawat terbang. Mesin penggerak pesawat terbang yang juga banyak digunakan pada saat ini selain turbojet yaitu turboprop dan turbofan. Mesin turbojet sangat umum digunakan pada pesawat-pesawat tempur yang membutuhkan kecepatan tinggi. Dan sekalipun mesin ini tidak lazim digunakan pada kendaraan darat, namun kendaraan untuk pemecahan rekor kecepatan darat menggunakan mesin ini.

20140326-120211 PM.jpg

Mesin Turbojet Pesawat F-16 Fighting Falcon

Mesin turbojet merupakan penerapan dari siklus termodinamika Brayton (baca artikel siklus brayton berikut). 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.

20140326-060158 PM.jpg

Skema Mesin Turbojet
(Sumber)

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, penampang casing 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.

20140327-074137 PM.jpg

20140318-033416 PM.jpg

Potongan Penampang Combustor dan Bagian-bagiannya

Udara panas hasil pembakaran di combustor akan menuju sisi turbin. Turbin tersusun atas beberapa tingkatan sudu rotor dan stator. Sudu-sudu turbin berfungsi sebagai nozzle-nozzle kecil yang akan mengkonversikan energi panas di dalam udara pembakaran menjadi energi kinetik. Sudu pada sisi rotor turbin yang dapat berputar mengkonversikan energi kinetik ini 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.

20140328-031047 PM.jpg

Prinsip Nozzel Konvergen-Divergen Digunakan Pada Exhaust Mesin Turbojet
(Sumber)

Sebuah pesawat jet yang mampu mencapai kecepatan supersonik (melebihi kecepatan suara) pasti exhaust mesin jetnya menggunakan nozzle konvergen-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.

20140328-075900 PM.jpg

Exhaust Nozzle Dengan Sistem Vektor Fleksibel
(Sumber)

Dapat disimpulkan bahwa energi untuk mendorong pesawat berasal dari temperatur dan tekanan udara panas hasil pembakaran di dalam combustor. Udara hasil pembakaran inilah yang mengakselerasi pesawat jet menjadi kecepatan supersonik. Akselerasi yang diberikan oleh udara panas tersebut tergantung oleh beberapa kondisi berikut:

  • 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.

Gaya Dorong Mesin Turbojet

Berikut adalah rumus perhitungan gaya dorong netto mesin turbojet:

      F_{N}=\left( \dot{m}_{air}+\dot{m}_{fuel}\right)v_{e}-\dot{m}_{air} v

Dimana:
      \dot{m}_{air}    = laju massa aliran udara di dalam mesin jet.
      \dot{m}_{fuel}    = laju massa aliran bahan bakar di dalam mesin jet.
      v_{e}    = kecepatan keluaran fluida jet.
      v     = kecepatan udara masuk ke inlet mesin jet.


Video Prinsip Kerja Turbojet


Referensi: