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 bilah-

bilah 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 komponen-

komponen 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