Diktat MKE-2 Mesin Propulsi

8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi

http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 1/11

MI(E 2BAB 7 MESINPROPIII.SI

7. MESIN PROPULSI

7.I PRINSIP KERJA MESIN PROPULSI

Untuk mempelajariprinsipkerja mesinpropulsi,perlu kita ingatkembalikonsep

aplikasi teori momentumdengannlmus utamanyasebagaiberikut:

z F,: *, {f +!(*,nw,),n

* [*w,pwndA (7.r)

Dimana:

V,,vA adalah kecepatan (arah x) volume atur bergerak relatif terhadap sistem inertial

tetap(absolut).

W, adalah kecepatanrelatif terhadapvolume atur bergerak.

W, adalah komponen kecepatanrelatif fluida normal terhadapbida-ngmuka volume

atur.

*dV'r't adalah sava inersia semuamassam dalarrvolume atur akibat daridt

dv-,,percepatan

dt

!(mV/,\,," adalahlaju tumpukmomentumlinear dalamvolumeatur dengan0 t '

^ ' v ^

kecepatandiekspresikanrelatif terhadapvolume atur.

[,*fT ,OW,dl adalahlaju neto efluks momenf.rmlinear dari volume atur.

Untuk keadaantunak, laju tumpuk momentum linear adalahnol, jadi:

ZF',=*,^{f * Iruv,(pv,dA)(7.2)

Bila volume atur bergerakdengankecepatankonstan,maka dVr.vn/dt samadengannol

Jadi:

LFr= [v,(pv,A)(7.3)

Arahgerak

Gambar7.1 Ilustrasikecepatanudaradanjet padamesinpropulsi.

Mke 2 MesinPropulsi/Hen0808 1-1



MKE2BAB 7 MESI}IPROPUSI

pr a ---->

-..---..>

--------------->

D . . +t idr

+

-------->

*/ '

a-------

P*r

Vvn-..-..>

__-_}>

Gambar7.2 Volume atur mesin turbo-jet.

Pa: tekananatmosfir

Pr: tekanangaskeluar

Pm

: tekananudara masuk

Ap = luas bidang keluar gas

A- : luas bidang masuk udara

A : luas bidang volume atur

Dari keseimbangangaya-gayaakibat tekanan :

p*Ar + p,(A- Ao)-p,(,q-,q^)- p^A. =(eo - p")Ao -(p^ - p")A^ Q.4)

Iadi I, dapat ditulis sebagai:

zF, : -D - mr gcosd+ (po - p,)Ao -(p^ - p")A, (7.5)

D:

gayatahananakibat gesekandan sebagainya.mw I cos 0 : gayaberat badan.

Dua suku terakhir adalahgayatekananyang bekerja padamuka atur.

Dengan menggunakan

furu laju massabahanbakar

ti'to : laju massaudara

Vp kecepatanabsolut fluida keluar

V^ kecepatanabsolut fluida masuk

dan denganrumus (7.2) didapat:

- D - mrogcosl- *r^+ + it,(Vo-V^)* fuuuVo+(po - p")Ao-(p* - p.)A* = o

(7.6)

Dari diagramgayabendabebas,gayadorong F adalah:

F = Drmv,sgcosd-* r+

Denganmenggunakannrmus(7.6) dan(7.7), secaralengkapgayadorong F adalah:

F=

fuo(vo-v,)+

rhuuvu*(po-

p,)Ao-(p, - p,')A, (7.8)

(7.7)

Mke 2 Mesin Propulsi/Hen 0808 1 a



MKE 2BAB 7 MESINPROPIII'SI

Didapat pt :53,55 kPa

!L:$ jadi, p2 :g03,33kpapr

Padakompresor(proses

isentropik)J- l

Tt =(U); - 150,"u=2,168Tt \P t )

jadi Tz :542K

Padasisi sebelumsuduturbin, T3: 1200K (batasmaksimumkekuatanmaterialnya),oleh karenaitu kaloryangdiijinkanmasukadalah:

4ou= c,V', -Tr)

l - r

=1-I1-(rzoo-542)K =658kJ/kgk g . K '

'

Pada mesin jet propulsi pesawat, semua kerja turbin digunakan untuk memutar

kompresor.Jadi:

W*,h-=Wko^o: co(Tt-T+)

atau dapatjuga ditulis

t r@,-To)= cr(7,

-Tr)

jadi:

T, -To - Tz-Tr = 542-250:292 K

Tt : 12 '00-292 K:908 K

Untuk turbin denganprosesisentropik:

r

u =(!t)- =f ?0,*,)''': 0,376sp; (.r ,/ \1200i

jadi dengan ps: pz

pa:0,3768pt:0 .3768 x 803kPa: 302,73kPa

Dengan asumsi proses ekspansi isentropik pada nosel, dari 302,13 kPa ke 40 kPa,

memberikan:

x- l

q =[ ,1q) .=1,oo )o ' "u :os6os14 | p,) [loz.zr)

"'-"

T5 :0,5609 x 908K:509,27 K

Persamaanenerginoseladalah:

v ": c r ( T o - T r ))

Mke 2 lllesin Propulsi/Hen0808 7-4



MKE2BAB 7 MESIN PROPT'LSI

: 1.(908-509,27)#"

:398,73 kJ/kg

vs: ^,1(2x398,73

x 1000)m/s:893m/sFooronr:=fuoVo -Vrn)

=ix, (893-200): it , 693N

Foor, A/laol = 69 3

""

lajuudararit" kg udara / s

Kalor yang ditanrbahkanpada ruang bakar adalah 658 kJ per kg udara (dengan r'ilai

bahan bakar 42 00AkJ/kg)

Neraca energi memberikan:

658m": 42 000mot

ma 42000= #: 63,83kg udara/ kg bahan-bakar

ffitt 658

Thrust-spesifi c fuel consumption(ZSFQ didefinisikansebagai:

TSFC- gqtadorong

fuun

693il: - ' - . . ' - " N/kgbb/sti'to

63,83

-- 44,234 l,l.l/kg bb/s

Untuk laju udara 30 kg/s,gayadorongnyaadalah

':'::r;'o fft

udara/sksrs

Efisiensi kompresor dihitung berdasarkan:

n. _

Kerja kompresiisentropikantarap, dan po

'tk('mpresor Kerja nyata dibutuhkan

efisiensikompresoradalahsekitar85%.

Efisiensi turbin gasciihitung berdasarkan:

Kerja nyatadihasilkan4 trrhin urr.,

:' qasKerja dibutuhkan ekspansiisentropik antarap^ dan po

Efisiensiturbin gasberkisarpada90o/o.

Mke2 MesinPropulsi/Hen0808



MKE 2BAB? MESINPROPUSI

7.3 MOTOR ROKET

Roket merupakan sejenis pesawat terbang yang menggunakan motor roket sebagaimesin propulsi pendorongnya. Roket dipergunakan untuk melontarkan pesawat ruang

angkasa,peluru,

pemercepat pesawat terbang dan keperluan lainnya. Penggerak utarnaroket terletakpadamotomya.Motor roket terdiri dari ruang bakar dan nosel (Gambar 7.5) yang secarakeseluruhan

membentuk nosel konvergen-divergen. Ruang bakar merupakan ruang yang kuat dantahan temperatur tinggi, dimana bahan bakar yang menyimpan energi tinggi dibakar

untuk menghasilkan gas bakar bertennperatur, dan dengan demikian bertekanan tinggi.

Gas bakar ini selanjutnya disalurkan melalui nosel konvergen-divergen untukmenghasilkanjet berenergikinetik atau berkecepatantinggi.

T '/r""

I

F n - m n q - D - m n (7.e)

dimana Fn : gayadorong roket.

trIR: maSSarOket

D : gaya tahanan(gesekanudara)Vn : kecepatanmelaju roket

D

I'r Vp

Dl

i ti l

-

If " l

(a) (b) (c)

Garrhar 7.4

a. Roket

b. Motor roket

c. Muka atur motor roket

Prinsip kerja roket berbedadengan mesin turbo-jet. Motor roket (disebut sebagai

roket saja) hanya memiliki ruang bakar dan nosel saja. Bahan bakar dapat berupa padat

ataupun cair. Prosespembakarandilakukan dengan menyalakan campuran bahan bakar

dengan oksiciaisemya.Untuk menganalisis karakteristik roket, perhatikan Gambar 7.4

diatas.Roket mengarahvertical keatas, gaya-gaya yang terjadi adalah gaya tahananD

dan gayaberatnyasendiri ruag.

Kecepatanroket adalah Zp.

Dari diagrambendabebas,memberikan:

.i]",,I - ^I ' i , 6 q

I

i

f + ft

:i'\r

ri l l i ' 'ii l,'l

Xf u '

dVo=0

dt

Mke 2 Mesin Pronulsi/Hen 08()8 1-6



MKE2BAB7 MESINPROPUEI

Dari persamaanmomentum:

F = titrvo+(po - p")An (7.10)

dimana rh, :lilumassa gaskeluar termasukoksidan dan bahanbakar.

V1,:Kece,patan gaskeluar dari roket.Pr : tekanan gaskeluar

Pa:tekananatmosfir

Ap: IJASperuLmpangbundel gas keluar

Dari kedua persamffm diatas,

i t rVo+bo - p")Ao- mn7- D - *^T =, (7-1l)

Untuk dapat menembus ruang angkasa"F harus sangat besar sehingga dapat mengatasi

gaya gravitasi. Bila D danmpgkecil dibandingkandengan.F',maka denganmengabaikan-

nya didapat:

(po-p" \Ao : r r *# - tu rvo (7 '12)

Padasetiapwaktu, mR: mo- irst

jadi , 7v^ -=- dt

\pt- p")Ao + ritrVo m, - titrt

Selanjutnyabila ms,pt, dan Vr dianggapkonstan dan Vn: Vn.odanmn: m0(massaawal

roket) padasaatt :0.

Denganmengintegrasikandidapat.

f A , - , f . ( . * " t \v * - v oo : - l ( o r - p , ) + + 4 l r " lt - 13 ' I ( 7 . 13 )

I m * i \ m o )

Untukwaktu t, bahanbakaryangmerupakanmassapropelant(bahanbakartermasuk

oksidannya)yang terbakardalam selangwaktu I dinotasikan sebagai mr,.

nr"disebut sebagaifraksi propelan, dan

f f ino

fln"disebutsebasaifiaksi massaroket.

m r.o- 171

,,

( * - , \ mJad i -h l t -

" 'P rl= 1P

" 'uo

\ uo .o ) mno- f f i r '

f r r IKomponen l\I*4+Vo I

disebutsebagaikecepatanknrakteristikdi-

l ^ ' InotasikansebagaiC1

Mke 2 Mesin Propulsi/Hen 0808 7-7



MKE 2BAB 7 MESIN PROPULSI

jad i :

Persamaandiatasdisebut sebagaipersamaanroket.Dari persamaandiatas terlihat bahwa perubahankecepatanroket pada medan bebas

gravitsi dan gesekanadalah proporsional terhadapkecepatangas keluar efektif danlogaritmanaturalrasio massaroket

ffinl

m*.0 - lflo,

dimana mo,adalahmassapropeiant yang terbakar dalamprosespembakaran.

Selanjutnya Impuls spesifik didefinisikan sebagairasio antara gaya dorong dengan laju

bahanbakar (gas),dinotasikan sebagai 1"o I Nlkg.s ]Denganmenggunakandefinisi Cr:

V* -V*.0 = CoInmRl

m*.0- t|to,

c r = 4 A u + v offir

F* = ritrCo dan I,o = C *

V^ -V^o = I,r l f lf f i^o

^ffin.o - ffi.,

(7.r4)

(7.15)

(7.16)

(7.r7)

(t.re)

Maka

jadi

- F *tir g

Untuk mendapatkankecepatan roket yang tinggi, karena rzno konstan tertentu

harganya"maka 1"ojuga harus tinggi. Jadi diperlukan propelan dengan impuls spesifik

yang tinggi. Untuk mencapaijarak jelajah yang tinggi roket memerlukanjumlah propelan

yang besar.Oleh karenanyamassapropelanbisajauh lebih besardari pada massastrukturrokctnya sendiri. Oleh karena itu trntuk mengurangi massa roket (za), roket dibuat

bertingkat-tingkat. Setiaptingkat yang semulaberisi propelan setelahterpakai dilepasdari

kendaraanutamanya.Setiaptingkat mempunyai struktur, propelandan mesin sendiri.

Abaikan gaya tahanan,gravitasi, dan tekananpada persamazn gayadorong. Bila

untuk setiap tingkat rasio massaawal terhadapmassapropelan yang terbakar sama,dan

setiap tingkat mempunyai kecepatan gas bakar keluar yang sama, maka pertambahan

kecepatanyang dihasilkan tiap tingkat akan sama. Jadi bila telah n tingkat yang bekerja,

kecepatanroket menjadi:

V* = nVr l n

* *o (7 .18 )m o.o

- lll,,

dimanamn./(nn.o* mp) adalahrasio massatiaptingkat.

Pemakaian roket bertingkat memungkinkan astronot lepas dari gaya tarik bumi. Untuk

dapat lepas dari bumi, roket harusmempunyai energi kinetik yang cukup untuk mengatasi

gravitasi. Gaya gravitasi yang harusdilawan adalah:

F=GY?

dimana I adalahjarak antara roket dengan bumi dan G adalahkonstantagravitasional.

Jika jarak z roket terhadappermukaan bumi bertambah,percepatangravitasi berkurangdensan:

Mke2 MesinProoulsi/Hen0808 7-8



MI<E2BAB ? MESIN FROPUI^SI

I = ,R'

. , (7.20)so (n + t)'

dimanaR adalahjari-jari bumi d* g, percepatangravitasipadaperrnukaanbumi.Unhrk bisa lepasdari gayatarik bumi, energi kinetik roket minimum harus samadengan

energipotensialnya.Jadi:

tr*v*,=*'=igd,=msoR2i#+=msoR

atau V*: r!2goR (7.21)

Bila 96: 9,81 dan ,R: 6378km, maka:

l ,-r

v*=lz$,8k6,387x1t')l3* |\l

'Ls'-i

11200m/s.

Sebagaicontohroketwahanaangkasaluar SaturnV yangmembawamisi Appolo:Roketterdiri dari 3 tingkat denganpropelancair.

Tabel7.1 Datz-dataroket SafiirnV.

Satuan TingkatI

Tingkat2

TingkatJ

Jenis motor roket F- l I-2 J-2

Jumlah rnotor roket 5 5 I

Total eayadorons MN a aJ J 5 I

Isi propelanoksigencair Ton 1 400 360 360

Isi orooelankerosene Ton 620 70 70Masahidup mesin Detik r 150 + 395 t 395

Laiu oksigencair Ke/s | 793 204 204

Laiu kerosene Ke/s 790 37 37Tekanan ruans bakar M P a 6,65 5,26 5,26

Temperafurruang bakar K 3 570 3 440 3 440Rasioekspansinosel 1 6 : I 27,5: I 27.5: 1

I KN/keis ) 5 5 4 , 16 4 , 16

Mke 2 MesinPropulsi/Hen08A8 1-9



MKEzBAB 7 MESINPROPI'I'SI

Contoh-contohbahanbakarroket:

Tabel7.2 Beberapadatabahanbakarroket.a. Bahanbakarcair (dariHaberman):

( 1"ountuk tekanan ruarrgbakar: 6,9 Mpa dan iekananudara luarpp: l0l kPa)

b. Bahanbakarpadat:( 1", untuk tekananruang bakar: 6,9 Mpa dan tekananudara luarpl: l0l kPa)

c. Propelantunggal(tekananruang bakar : 2 Mpa dan tekananudara luar I 0l kPa)

Oksidaiser Bahan bakar Rasio massa

bahan bakar(Oks/bb)

Isp

kN&e-s

calr Hidrosencair 3.50 3.80catr Methanecair 3.00 2.90cair RP-I 2,24 2,80

cair F{ ne 0,75 2-95

calr Pentaborane(B 2,07 3.00

Fluorinecair Hidroeen cair 4.70 3.90

Fluorinecair I\,Iethanecair 3 .1 5 3.07Fluorinecair Pentaborane 3.75 3.23Nitrogen tetroxide Hvdrazine 1 .1 0 2.79

Nitroeen Tetroxide Pentaborane 3.10 2,80

Hydrogenperoxide(HrOt Hvdrazine 1.50 2,77

Hvdrosen neroxide Pentaborane 3,24 2,93

Ammonium nitrate llium 69 2.83Ammoniumnitrate Boron 6 1 2.46

Ammonium nitrate Aluminum 6 1 2,50

Ammonium perchlorate Bervllium 70 2,78

Ammonrumperchlorate Boron 7 l 2,50

Ammon um perchlorate Lithiumhvbride 60 2,36

Ammon um perchlorate Aluminum 65 2,60

Hvdrazinen trate Bervllium 69 2.83

Hvdrazinen trate Boron 6 l 2.55

Hv<irazinen trate Lithium 69 2.49

razrnenftrate Aluminum 6r 2.57

Nitrornethane 2 ,1 4

Hydrogenperoxide(87-13% H2O) 1,24

ne oxide 1 ,5 7

Mke2 MesinPropulsi/Hen0808 7 - t 0



MKE 2BAB 7 MESIN PROPTILSI

Kecepatanmaksimumgaskeluar dari motorroket dapatdihitungsebagaiberikut:

' - - _ - - \\

\

\ , UP - P L rT T

' l 'a . -

-

t'/a''"----'/

Gambar7.6 Nosel roket.

Denganmenggunakanpersamiurnenergi tunak satudimensi

h,= ho+4

h,b: entalpidi ruangbakarh* : entalpi keluar

dengan t o: *R

didapat Vo: ^W;4

Denganmenganggapaliran isentropik padanosel,

I

dimana:

Jadi :

J -l

rk ( p " \ - ;

\ = l ^ )m

v,_ lzr*r*|1_[!_1, II

x _ r L\ p , o )lE

Karena R = I dimana M adalahmassamolekular ratatata gaskeluar dan R adalahM

konstantagasuniversal, maka:

Untuk prosesekspansiidealpadanosel,p* : po danI,r: Vk,,iadi impuls spesifikbahan

bakar rokert dapat clihubungkandengan rasio antara temperatur nrang bakar dan berat

molekul gaskeluar.

Impuls spesifik tinggi berarti temperatur ruang bakar tinggi dan berat molekuler rata-rata

rendah.

Karena kecepatan bakar dan arus yang tinggi, proses adiabatik pada metoda

kesetimbangantermodinamik dapatditerapkanuntuk menghitung temperaturpembakaranadiabatik T,i,danproduk dari prosespembakaran.

V, II

1 l

ll

| . r r l

,*(+l['lfr]]

Mke 2 Mesin Propulsi/Hen 0808 7 - 1 1

Diktat MKE-2 Mesin Propulsi

Documents

Transcript of Diktat MKE-2 Mesin Propulsi