Teori Dasar Propulsi

Sebelum kita mulai, marilah kita awali dengan membaca Basmallah

Kita akan menjelaskan tentang teori Propulsi, Newton, Energi kinetik, dan menjelaskan siklus Brayton.

Sejarah

Leonardo Da Vinci tahun 1500 memperkenalkan alat yang bekerja menyerupai turbine yang berputar karena arus panas 




Sir Issac Newton tahun 1687 mengilustrasikan kendaraan yang bergerak karena reaksi gaya dorong pancar gas uap yang dapat dikontrol


Konsep Dasar
    Pesawat bisa terbang karena ada gaya dorong dari mesin penggerak (Engine) yang menyebabkan pesawat memiliki kecepatan, dan kecepatan ini yang di terima sayap pesawat yang berbentuk aerofoil sehingga pesawat dapat terangkat atau terbang. Prinsip dari turbo jet adalah mempercepat massa udara dan hasil pembakaran ke satu arah, dan dari hukum gerak Newton ketiga mesin akan mengalami dorongan ke arah berlawanan.
   Konsep kerjanya, udara luar di kompresi oleh kompresor hingga mencapai tekanan tinggi. Selanjutnya udara bertekanan tinggi tersebut masuk kedalam ruang bakar untuk dicampurkan dengan bahan bakar. Pembakaran udara dan bahan bakar tersebut akan meningkatkan temperatur dan tekanan fluida kerja. Fluida bertekanan tinggi ini selanjutnya dilewatkan melalui turbin dan keluar fluida masuk dan fluida keluar dari mesin menciptakan gaya dorong dari Hukum Newton III tentang Aksi dan Reaksi. Gaya dorong ini dimanfaatkan untuk bergerak dalam arah horizontal atau vertikal dan sebagian diubah oleh sayap pesawat menjadi gaya angkat.

Mesin Propulsi
Mesin propulsi adalah mesin jenis pembakaran dalam yang menghasilkan dorongan. Mesin propulsi di golongkan menjadi beberapa jenis antara lain : 
⇒ Turbo Prop          ⇒ Turbo Shaft
⇒ Turbo Jet             ⇒ Ramjet
⇒ Turbo Fan           ⇒ Roket
 
Prinsip Kerja

Gas Turbine Engine / Jet Engine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbine dengan pembakaran internal

Prinsip kerjanya menggunakan HUKUM NEWTON III

      AKSI SAMA DENGAN REAKSI

Hukum Newton

Hukum gerak Newton adalah tiga hukum fisika yang menjadi dasar mekanika klasik.
  Versi modern hukum Newton adalah sebagai berikut :

• Hukum I : Sebuah benda tetap pada keadaan awalnya yang diam atau bergerak dengan kecepatan sama kecuali ia dipengaruhi oleh suatu gaya tidak seimbang, atau gaya eksternal netto. ( gaya netto yang bekerja pada sebuah benda. juga dinamakan gaya resultan. adalah jumlah vektor semua gaya yang bekerja padanya ).
• Hukum II : Percepatan sebuah benda berbanding terbalik dengan massanya dan sebanding dengan gaya eksternal netto yang bekerja padanya.
• Hukum III : Gaya-gaya selalu terjadi berpasangan. Jika benda A memberikan gaya pada benda B, gaya yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan diberikan oleh benda B pada benda A.

Hukum Pertama

  Setiap benda akan memiliki Kecepatan yang konstan kecuali ada gaya resultannya tidak nol bekerja pada benda tersebut

   Berarti jika resultan gaya nol, maka pusat massa dari suatu benda tetap diam, atau bergerak dengan kecepatan konstan ( tidak mengalami percepatan). Hal ini berlaku jika dilihat dari kerangka acuan inersial

My downfall was Newton's inspiration

Hukum Kedua

  Sebuah benda dengan massa (M) mengalami gaya resultan sebesar (F) akan mengalami percepatan (a) yang arahnya sama dengan arah gaya, dan besarnya berbanding lurus terhadap F dan berbanding terbalik terhadap M

Bisa juga diartikan resultan gaya yang bekerja pada suatu benda sama dengan turunan dari momentum linear benda terhadap waktu


Hukum Ketiga
  Gaya aksi dan reaksi dari dua benda memiliki besar yang sama, dengan arah terbalik, dan segaris. Artinya jika ada benda A yang memberi gaya sebesar F pada benda B, maka benda B akan memberi gaya sebesar -F kepada benda A. F dan -F memiliki besar yang sama namun arahnya berbeda. Hukum ini juga terkenal sebagai hukum aksi-reaksi, dengan F disebut sebagai aksi dan -F adalah reaksinya.

Energi Kinetik

  Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh setiap benda yang bergerak.

Syarat benda memiliki energi kinetik adalah benda tersebut memiliki masa dan benda dalam keadaan bergerak atau memiliki kecepatan

  Rumus : 

m = massa (kg)                 

 v = kecepatan (m/s) 

 energi kinetik = J atau Joule

Contoh energi kinetik dalam kehidupan sehari hari : 

• Pak Marno mengendarai mobil dengan kelajuan konstan 50 km/jam
• Bola menggelinding di tanah dengan kecepatan 3 m/s

Siklusnya Turbin Gas

 ⇰Turbin gas siklus tertutup ( Close cycle )

 Akhir ekspansi fluida kerjanya didinginkan untuk kembali ke dalam proses awal.

 ⇰Turbin gas siklus terbuka ( Open cycle)

 Akhir ekspansi fluida kerjanya langsung dibuang ke udara atmosfir.

Perbedaan dari kedua tipe ini adalah berdasarkan siklus fluida kerja.

Tiga Siklus Turbin Gas

1. Siklus Ericson

 Siklus mesin kalor yang dapat balik (reversible) yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (reversible isotermic) dan dua proses isobarik dapat balik (reversible isobaric).

 Proses perpindahan panas pada proses isobarik berlangsung didalam komponen siklus internal (regenerator),

effisiensi termalnya :  лth = 1- T1/Th,  Ket : T1= temperatur buang  Th= temperatur panas.

2. Siklus Stirling

 Siklus mesin kalor dapat balik, yang terdiri dari dua proses isotermis dapat balik (isotermal revisible) dengan volume tetap (isokhorik). Efisiensi termalnya sama dengan efisiensi termal pada siklus Ericson.

3. Siklus Brayton

 Merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin Gas, Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan (isobarik).

sehingga saat ini siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading.

Brayton Cycle

 Siklus Brayton menjadi konsep dasar untuk setiap mesin turbin gas. Siklus termodinamika ini dikembangkan pertama kali oleh John Barber pada tahun 1791, dan disempurnakan lebih lanjut oleh George Brayton. Siklus Brayton lebih di aplikasikan khusus ke mesin-mesin turbo jet dan turbin gas. 

 Pada awal penerapan siklus ini, Brayton dan ilmuwan lainnya mengembangkan mesin reciprocating dikombinasikan dengan kompresor. Mesin tersebut berdampingan dengan mesin Otto diaplikasikan pertama kali ke otomotif roda empat. Namun mesin Brayton kalah pamor dengan mesin Otto empat silinder yang dikembangkan oleh Henry Ford

Siklus Brayton melibatkan tiga komponen utama :
Kompresor ➨ Combustion Chamber ➨ Turbine

Media kerja udara atmosfer masuk melalui sisi inlet kompresor, melewati ruang bakar, dan keluar kembali ke atmosfer setelah melewati turbin.

( Open Cycle )

 

Diagram P.V siklus brayton

Proses siklus brayton ini terdiri dari proses :

• 0-A : proses pemasukan udara
• A-B : proses kompresi udara dalam kompresor
• B-C : proses pembakaran tekanan tetap dalam ruang bakar
• C-D : proses expansi di dalam turbine
• D-A : proses pembuangan pada tekanan tetap

Berdasarkan tekanan dan volumenya :

• 0-A : volumenya meningkat, tekanan tetap
• A-B : volume berkurang, tekanannya meningkat
• B-C : volume meningkat, tekanannya tetap
• C-D : volume meningkat, tekanannya menurun
• D-A : volume turun, tekanannya tetap

Fenomena-fenomena termodinamika yang terjadi pada siklus Brayton ideal adalah sebagai berikut :
Proses Kompresi Isentropik
Udara atmosfer masuk kedalam sistem turbin gas melalui sisi inlet kompresor. Oleh kompresor, udara dikompresikan sampai tekanan tertentu diikuti dengan volume ruang yang menyempit. Proses ini tidak diikuti dengan perubahan entropi, sehingga disebut proses isentropik.
Proses Pembakaran Isobarik
Udara terkompresi masuk keruang bakar. Bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar, dan diikuti dengan proses pembakaran bahan bakar tersebut. Energi panas hasil pembakaran di serap oleh udara, meningkatkan temperatur udara, dan menambah volume udara. Proses ini tidak mengalami kenaikan tekanan udara, karena udara hasil proses pembakaran bebas berekpansi ke sisi turbin karena tekanan yang konstan inilah maka proses ini disebut isobarik.
Proses Ekspansi Isentropik
Udara bertekanan yang telah menyerap panas hasil pembakaran berekpansi melewati turbin. Sudu-sudu turbin yang merupakan nozzle-nozzle kecil berfungsi untuk mengkonversikan energi panas udara menjadi energi kinetik. Sebagian energi tersebut di konversikan turbin untuk memutar kompresor. Pada mesin turbojet, sebagian energi panas dikonversikan menjadi daya dorong pesawat oleh sebentuk nozzle besar pada ujung keluaran turbin gas.
Proses Pembuangan Panas
Proses pembuangan udara kembali ke atmosfer. Pada siklus Brayton ideal, udara yang keluar dari turbin ini masih menyisakan sejumlah energi panas. Panas ini diserap oleh udara bebas.

Efisiensi Siklus Brayton
Perhitungan energi panas / kalor masuk (qin)
qin = h3 - h2 = cp ( T3 - T2 )
Perhitingan energi panas keluar (qout)
qout = h4 - h1 = cp ( T4 - T1 )