Bab II Ruang Bakar
Bab II Ruang Bakar
Sebelum berangkat menuju pelaksanaan eksperimen dalam laboratorium, perlu dilakukan sejumlah persiapan pra-eksperimen yang secara langsung maupun tidak langsung dapat dijadikan pedoman dan bekal bagi kegiatan eksperimen tersebut. Maka dalam bagian pertama bab ini dijelaskan tentang hal-hal yang berkaitan dengan mesin turbin terutama seksi ruang bakar, proses pembakaran di dalam ruang bakar, kestabilan pembakaran, dan hal-hal lain yang berkaitan dengan mesin turbin. Pada bagian berikutnya akan dijelaskan sedikit tentang aliran putar, swirl decay, dan pengaruhnya pada kestabilan pembakaran.
2.1 Umum Salah satu komponen mesin turbin adalah ruang bakar (combustion chamber) yaitu ruang diantara kompresor dan turbin dan berdinding dua lapis, merupakan tempat dimana udara kerja bertekanan tinggi dari kompresor dicampur dengan bahan bakar untuk kemudian dinyalakan (ignited) sehingga terjadi suatu reaksi pembakaran. Hasilnya adalah aliran gas panas bertekanan dan berenergi tinggi, yang sebagiannya diubah menjadi energi mekanik oleh turbin, sebagian lagi dialirkan melalui nozzle sebagai semburan gas berkecepatan tinggi untuk menghasilkan gaya dorong (thrust). Sebelum masuk lebih dalam ke ruang bakar, berikut ini akan dijelaskan kaitan antara kompresor – ruang bakar – turbin.
2.2 Komponen Inti Mesin Secara umum, sebuah mesin turbojet terbagi menjadi beberapa bagian yang saling berhubungan dan memiliki 3 komponen utama yaitu kompresor, ruang bakar, dan turbin. Ketiga komponen utama ini membentuk inti mesin (engine core) yang memegang peranan paling vital terhadap karakteristik mesin.
9
Bab II Ruang Bakar
Gambar 2.1 Skema Komponen Utama Mesin (Engine Core)
Gambar 2.2 Penampang Komponen Utama Mesin (Engine Core)
Kompresor berfungsi untuk menaikkan tekanan total udara sebelum masuk ke dalam ruang bakar. Kenaikan tekanan total ini didapat dari putaran kompresor. Kompresor dan turbin dipasang pada satu poros, dimana kompresor diputar oleh turbin. Energi yang dibutuhkan untuk memutar turbin berasal dari pembakaran antara udara dan bahan bakar di dalam ruang bakar. Berdasarkan bentuk dan cara kerjanya, kompresor dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu kompresor aksial dan kompresor sentrifugal. Kompresor sentrifugal menggunakan impeller untuk mendesak udara ke arah radial untuk menaikkan tekanan total dan diffuser untuk mengarahkan dan memperlambat laju aliran setelah meninggalkan impeller. Impeller adalah istilah yang digunakan untuk komponen yang berputar pada kompresor sentrifugal. Kompresor dengan efisiensi yang tinggi berarti kenaikan tekanan total akan sebanding dengan kenaikan temperatur total. Kenaikan tekanan total yang tinggi diperlukan untuk meningkatkan energi dorong pada mesin turbin gas dan untuk meningkatkan efisiensi pembakaran. Sebuah kompresor yang baik
10
Bab II Ruang Bakar akan menghasilkan prestasi yang cukup tinggi pada kecepatan masuk aliran dan kecepatan putar yang bervariasi. Turbin digunakan sebagai penyedia daya untuk menggerakkan kompresor dan aksesori lainnya. Untuk mesin yang tidak hanya menggunakan jet sebagai penghasil gaya dorong, turbin menyediakan daya untuk memutar propeler atau rotor. Daya turbin diperoleh dari udara panas bertekanan tinggi hasil pembakaran pada ruang bakar. Pada turbin aksial, udara berenergi tinggi ini digunakan untuk memutar rotor. Sedang pada turbin radial, udara berenergi tinggi ini digunakan untuk memutar impeller. Selanjutnya putaran rotor atau impeller dihubungkan dengan shaft ke kompresor atau propeler. Kemampuan turbin dalam menahan beban temperatur sangat penting bagi prestasi mesin secara umum. Semakin tinggi temperatur inlet turbin, maka semakin besar daya keluaran mesin dan efisiensi siklusnya. Agar turbin mampu menahan temperatur sangat tinggi, sebagian udara dari kompresor digunakan untuk mendinginkan turbin. Kompresor dan turbin berada pada poros yang sama sehingga tujuan dari putaran turbin sebagian adalah untuk memutar kompresor. Pada turbin tidak terdapat adverse pressure gradient sehingga penebalan lapisan batas dapat ditekan. Dari segi ini efisiensi turbin lebih baik daripada efisiensi kompresor karena biasanya tidak terjadi pelepasan aliran (separation) kecuali pada trailing edge bilah turbin. Ruang bakar merupakan komponen diantara kompresor dan turbin tempat pencampuran sekaligus pembakaran antara udara bertekanan tinggi dengan bahan bakar. Disini fluida kerja dari kompresor akan dicampur dengan aerosol bahan bakar, untuk kemudian dibakar sehingga diperoleh energi fluida yang tinggi, yang selanjutnya fluida berenergi tinggi hasil pembakaran ini dilewatkan melalui bilahbilah turbin agar energi aliran dapat digunakan untuk memutar kompresor dan komponen-komponen aksesoris lainnya. Udara kerja yang melalui inti mesin terbagi menjadi tiga macam: •
Udara primer, yaitu sebanyak ±30% dilewatkan langsung ke ruang bakar untuk proses pembakaran
•
Udara sekunder, sebanyak ±60% akan melalui lubang-lubang pada tabung bagian dalam dan dicampur dengan gas hasil pembakaran
•
Udara pendingin, sebanyak ±10% untuk mendinginkan bilah-bilah turbin
11
Bab II Ruang Bakar Dalam eksperimen ini perhatian lebih terfokus pada pola aliran udara di dalam ruang bakar, oleh karena itu akan dijelaskan lebih jauh tentang ruang bakar.
2.3 Aspek-aspek Ruang Bakar Sesuai dengan fungsinya sebagai tempat pembakaran, ada banyak aspek yang terjadi di dalam ruang bakar terdiri dari aspek fisika dan kimia. Pembakaran yaitu reaksi kimia eksotermik antara bahan bakar dengan oksigen. Terdapat tiga rejim pembakaran: 1. pre-flame combustion, disini reaksi pembakaran yang terjadi sangat lambat yaitu ±1-100 sekon untuk 80% reaksi 2. deflagration, disini reaksi pembakaran terjadi dengan sangat cepat, kurang dari 1 milisekon untuk 80% reaksi 3. detonation, yaitu gelombang kejut yang berkaitan dengan reaksi pembakaran, bergerak dengan kecepatan supersonik antara 1 - 4 km/s. Berlangsung tidaknya proses pembakaran ditandai oleh kehadiran nyala api (flame) di dalam ruang bakar. Flame adalah perubahan kimia secara cepat yang terjadi pada lapisan yang sangat tipis dan pada gradien temperatur yang sangat besar. Apabila flame ini padam, kemungkinan proses pembakaran terhenti dan mesin dikatakan tidak nyala, sehingga suplai daya ke komponen-komponen lain juga berhenti. Berdasarkan komposisinya, flame dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu: •
Premixed flame
•
Diffusion flame (non-premixed flame)
Berdasarkan jenis fasanya, flame diklasifikasikan menjadi dua: •
Flame homogen
•
Flame heterogen
Berdasarkan dari prosesnya, flame dibagi menjadi: •
Physical flame
•
Chemical flame
12
Bab II Ruang Bakar Berdasarkan alirannya, flame dibedakan menjadi: •
Laminar flame
•
Turbulent flame
2.4 Tipe Ruang Bakar Tujuan utama dari ruang bakar adalah untuk menyediakan aliran udara panas berenergi tinggi dimana energi tinggi tersebut akan dikonversi menjadi bentuk energi lain oleh turbin dan nozel. Dilihat dari bentuk dan susunannya, maka ruang bakar dibedakan menjadi 3 tipe, yaitu: •
Tipe can (tubular)
•
Tipe annular
•
Tipe can-annular (tubo-annular)
Berikut ini akan dijelaskan karakteristik, keuntungan dan kekurangannya.
2.4.1 Tipe Can (tubular) Ruang bakar tipe ini terdiri dari ruang-ruang kecil yang disusun melingkar mengelilingi mesin dan udara dari kompresor dibagi-bagi melalui ruang-ruang kecil ini untuk dikirim ke ruang penyalaan. Tiap ruang memiliki tabung api dalam (inner flame tube) dengan pipa penyedia bahan bakar sendiri, dimana semua tabung saling berhubungan melalui saluran agar tabung-tabung tersebut bekerja pada tekanan yang sama. Perhatikan gambar berikut:
Gambar 2.3 Ruang Bakar Tipe Can (tubular)
13
Bab II Ruang Bakar Keuntungan tipe can ini terutama pada distribusi udara-bahan bakar yang merata dan temperatur keluar yang seragam, dikarenakan susunan ruang-ruang bakarnya yang simetris. Kekurangan tipe ini terletak pada dimensinya yang biasanya lebih besar dan lebih berat. Tipe ini biasanya cocok pada mesin turbin yang menggunakan kompresor sentrifugal, dimana aliran udara sudah dibagi-bagi oleh bilah-bilah difuser. Tipe ini juga banyak dipakai pada pada turbin gas berukuran kecil dan mesin pesawat tahun-tahun awal.
2.4.2 Tipe Annular Berbentuk tabung penyalaan konsentris tunggal yang menyelubungi ruang utama dan batang rotor, dimana semua proses pembakaran terjadi di ruang utama. Karena tipe ini menggunakan semua ruang yang tersedia untuk pembakaran, maka mempunyai loss tekanan lebih rendah sehingga diameter mesin menjadi lebih kecil. Merupakan tipe yang lebih efisien dibandingkan tipe can. Keuntungan utama dari tipe ini adalah dengan daya keluaran yang sama, tipe ini mempunyai berat hingga 25% lebih ringan. Namun ada dua kekurangan dari tipe annular, yaitu pertama: walaupun lebih banyak bahan bakar yang dapat disemburkan ke ruang utama, tetapi disini lebih sulit untuk memperoleh distribusi udara-bahan bakar yang merata dan juga distribusi temperatur keluar yang seragam. Kedua, struktur ruang bakar tipe annular lebih lemah dan sulit untuk menghindari buckling pada dinding tabung penyalaan yang akan sangat panas.
Gambar 2.4 Ruang Bakar Tipe Annular
14
Bab II Ruang Bakar Tipe ini cocok dengan mesin turbin yang menggunakan kompresor aksial. Pesawat udara yang diproduksi pada masa ini kebanyakan memakai ruang bakar tipe ini.
2.4.3 Tipe Can-annular (tubo-annular) Tipe ini merupakan kombinasi dari tipe can dan annular, dikembangkan lebih untuk mengatasi kekurangan-kekurangan pada dua tipe sebelumnya. Terdiri dari beberapa tabung api kecil (flame tubes) yang menyemprotkan bahan bakar, dipasang menempel pada tabung annular utama. Aliran udara akan melalui ruang utama dan bergerak ke arah tabung-tabung api untuk dicampur dengan bahan bakar kemudian dinyalakan.
Gambar 2.5 Ruang Bakar Tipe Can-annular (tubo-annular)
Dengan tipe seperti ini maka distribusi campuran udara-bahan bakar dapat dibuat merata, dan distribusi temperatur keluar lebih seragam. Struktur dinding tabung utama tidak terlalu terbebani oleh buckling karena temperatur tinggi, namun berat mesin tetap dijaga seringan mungkin. Kini banyak digunakan oleh mesin pesawat udara ukuran besar.
15
Bab II Ruang Bakar 2.5 Prinsip Kerja Ruang Bakar Ruang bakar merupakan komponen setelah kompresor, dimana didalam bagian ini fluida kerja dari kompresor akan dicampur dengan aerosol bahan bakar, untuk kemudian dibakar sehingga diperoleh energi fluida yang tinggi. Kemudian, fluida berenergi tinggi hasil pembakaran dilewatkan melalui bilah-bilah turbin agar energi aliran dapat digunakan untuk memutar kompresor dan komponenkomponen aksesoris lainnya. Sebagian energi aliran yang tidak digunakan untuk menggerakkan komponen-komponen mesin turbin akan dikeluarkan sebagai semburan gas atau jet yang dapat memberikan gaya dorong. Pada proses pembakaran di atas, terjadi penambahan energi aliran udara melalui suatu reaksi kimia. Agar proses kimia ini juga berlangsung secara kontinu maka rancangan bentuk ruang bakar harus dapat memberikan medan aliran yang dapat membentuk dan mempertahankan kestabilan reaksi pembakaran di dalam ruang bakar. Dalam merancang bentuk ruang bakar harus memperhatikan aspek-aspek berikut ini: 1. Efisiensi pembakaran cukup tinggi, artinya dengan jumlah bahan bakar yang dipakai dapat menghasilkan energi yang besar 2. Kerugian tekanan cukup rendah agar energi yang dihasilkan pada proses pembakaran tidak banyak berkurang. 3. Distribusi temperatur keluaran harus dapat dikendalikan agar beban akibat temperatur dan beban mekanik pada bagian turbin tertentu tidak melebihi kekuatan material. 4. Reaksi pembakaran harus stabil pada selang variasi kecepatan aliran masuk yang lebar sesuai dengan kondisi operasi dan variasi konsentrasi bahan bakar yang dipakai. 5. Mudah dinyalakan kembali apabila terjadi flame-off pada ruang bakar. Hal ini untuk menjaga agar pasokan energi dari mesin dapat terus berlangsung. Berhentinya proses pembakaran saat mesin masih digunakan akan sangat berbahaya bagi keselamatan penerbangan. 6. Hasil reaksi pembakaran berupa deposit karbon harus dihindari karena dapat mengorosi turbin.
16
Bab II Ruang Bakar Perancangan ruang bakar yang dapat memenuhi semua kriteria diatas sangat sulit dicapai karena beberapa kriteria tersebut saling berlawanan. Contohnya, untuk mendapatkan proses pembakaran yang stabil dengan efisiensi tinggi, kecepatan lokal pada zona primer harus diatur rendah dengan tingkat turbulensi tinggi. Hal ini berlawanan dengan kriteria kerugian tekanan karena kerugian tekanan akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya turbulensi aliran. Dapat dilihat adanya keterkaitan yang kompleks antara reaksi kimia dan aliran fluida didalam ruang bakar. Untuk eksperimen kali ini, hanya akan dikaji hal-hal yang berkaitan dengan aliran fluida, terutama karakteristik aliran yang dapat meningkatkan kestabilan pembakaran. Untuk memperoleh kondisi-kondisi pembakaran seperti di atas, aliran fluida di dalam ruang bakar secara umum dikondisikan seperti dalam gambar berikut:
Gambar 2.6 Aliran dalam Ruang Bakar Mesin Turbin Gas
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa aliran udara yang masuk ke dalam ruang bakar dibagi dalam 3 zona yaitu zona primer, zona antara, dan zona dilusi. Keberadaan ketiga zona tersebut memang tidak terbagi secara jelas di dalam ruang bakar. Namun, masing-masing zona memiliki peran untuk memenuhi aspek kestabilan flame, keseragaman temperatur, dan loss tekanan yang rendah. Zona primer berperan untuk menjaga flame agar tetap stabil. Oleh karena itu, aliran dalam zona ini harus dapat memberikan waktu, temperatur, dan turbulensi yang cukup sehingga reaksi pembakaran berlangsung dengan sempurna. Zona antara merupakan perluasan dari zona primer. Dalam zona ini, gas yang belum terbakar sempurna dalam zona primer direaksikan kembali
17
Bab II Ruang Bakar dengan memasukkan sebagian udara ke bagian ini. Zona dilusi merupakan zona yang berperan untuk membuat temperatur gas keluar dari ruang bakar seragam. Hal ini dicapai dengan mencampur gas bertemperatur tinggi dari zona antara dengan sisa udara yang dimasukkan ke zona dilusi ini. Proses masuknya udara menjadi 3 zona ini dimungkinkan akibat kontur dinding (liner) ruang bakar dan distribusi lubang pada liner.
18
