Physics Lovers: Aplikasi Termodinamika dalam Kehidupan Sehari-hari (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.

Mesin Turbojet Pesawat F-16 Fighting Falcon

Mesin turbojet merupakan penerapan dari siklus termodinamika Brayton. 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.

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.

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.

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.

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: