Mengenal Mesin BraytonIdeal Jet Propulsion Cycle

Anggita Bayu Krisna Pambudi (1108124107)Miranti Widyastuti (1108120074)

Fakultas Teknik Elektro, Universitas TelkomJl. Telekomunikas, terusanbuah batu, Bandung. Indonesia

Abstract— Artikel ini di tulis untuk memenuhi tugas Mata Kuliah Analisis Thermal (YDH). Menjelaskan tentang sejarah mesin brayton, spesifikasi, proses-proses yang terjadi dalam mesin diesel, pengaplikasian mesin brayton.

Keywords— Mesin jet, siklus brayton, ideal jet propulsion cycle

I. SEJARAH MESIN OTTO

Pada tahun 1872, George Brayton mengajukan permohonan paten untuk mesin tekanan konstan reciprocating yang menggunakan kompresor piston

terpisah dan expander, dengan udara terkompresi dipanaskan oleh api internal memasuki silinder expander.

Mesin Brayton diproduksi dan dijual pertama kali oleh " Ready Motors " digunakan untuk pompa air, operasi pabrik, dan propulsi kelautan.

Pada tahun 1881 John Holland menggunakan mesin Brayton untuk penggerak

kapal selam pertama di dunia yang sukses, kapal selam Fienian Ram John Philip Holland yang diawetkan di Paterson Museum di distrik bersejarah Old Great Falls dari Paterson, New Jersey.

George B Selden mulai mengerjakan mesin versi yang lebih kecil lebih ringan dan selesai pada tahun 1878. The Selden auto ini didukung oleh 3 silinder 400 pounds dengan crankshaft tertutup .

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. Pada perkembangan selanjutnya, siklus Brayton lebih diaplikasikan khusus ke mesin-mesin turbojet dan turbin gas.

II. MESIN TURBIN GAS ( BRAYTON ENGINE )Prinsip kerja dari turbin gas tidak jauh berbeda dengan

turbin yang lain dimana putaran dari rotor turbin diakibatkan oleh adanya gas bertekanan yang melewati sudu-sudu turbin.

Gas dengan tekanan tinggi didapatkan dari pembakaran bahan bakar dengan udara sesaat sebelum masuk turbin. Ekspansi udara hasil proses pembakaran inilah yang digunakan untuk menggerakkan sudu-sudu turbin.

Turbin gas menggunakan udara atmosfer sebagai media kerjanya dimana udara masuk melalui sisi inlet akibat terhisap oleh kompresor. Kompresor berfungsi untuk memampatkan udara hingga mencapai tekanan tertetu dimana tekanan di akhir sudu kompresor bias mencapai 30 kali tekanan inlet kompresor.

Pada sisi akhir kompresor udara bertekanan akan melewati difuser yang berfungsi untuk mendukung kompresor dalam proses meningkatkan tekanan udara.

Selain komponen utama dari mesin siklus Brayton terdiri dari kompresor, combuster, dan turbin dibutuhkan komponen tambahan agar turbin gas dapat beroperasi dengan baik dan seefisien mungkin seperti lubrication system, control system, cooling system, fuel system, dan lain-lain.

Pada pembangkit listrik, turbin gas tidak hanya digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Akan tetapi turbin gas ini juga digunakan sebagai pemanas ada HRSG (Heat Recovery SteamGenerator). Temperatur pada sisi exhaust turbine masih cukup tinggi.

Siklus Brayton juga memiliki kekurangan. Salah satunya adalah sensitivitasnya yang tinggi dimana efisiensi siklus ini sangat bergantung pada efisiensi tiap komponen dalam siklus ( kompresor, turbin dan perpindahan kalor pada combustion chamber ), karena perubahan efisiensi komponen beberapa persen punya pengaruh signifikan pada siklus brayton.

Selain itu, perubahan pada kondisi udara (seperti tekanan atmosfir) juga akan berpengaruh pada efisiensi, karena udara yang digunakan dalam siklus ini diambil dari lingkungan, dan debit udara yang diambil pun lumayan banyak. Selain itu, umumnya komponen dari siklus ini pun tergolong mahal jika dibandingkan dengan komponen siklus lain.

III. PRINSIP KERJA MESIN BRAYTON

Komponen dasar dalam mesin turbin gas adalah kompresor, combuster dan turbin, dimana ketiga komponen tersebut membentuk siklus yang dikenal dengan nama ”Siklus Brayton”. Mesin turbin gas tidak dapat bekerja tanpa komponen adanya kompresor dan ruang bakar/combuster.

Turbin gas pada kondisi ideal memanfaatkan gas bertekanan yang didapat dari udara atmosfir yang

dimampatkan untuk meningkatkan tekanan dengan menggunakan kompresor pada kondisi isentropik (reversibel adiabatik/entropi konstan).

Udara yang bertekanan tinggi ini kemudian dibakar dalam ruang bakar pada tekanan tetap. Dari ruang bakar, gas yang sudah dibakar (combuster ) bersama dengan bahan bakar yang akan diekspansikan ke turbin sebagai penggerak beban.

A. Kompresor ( Compressor )Kompresor yang dipakai pada turbin gas adalah

axial compressor dan centrifugal compressor. Pada axial compressore bentuk dari sudu-sudu rotor mendekati bentuk dari airfoils pada sayap pesawat.

Kompresor bekerja dengan cara menyedot udara kemudian mendorong udara ini ke sudu tetap. Sudu tetap berbentuk menyerupai bentuk dari difuser. Difuser ini berfungsi untuk memperbesar tekanan dan menurunkan kecepatan dari udara ( prinsip bernoully apparatus ).

B. Ruang Bakar ( Combuster )Dari kompresor, udara bertekanan tinggi

didorong ke ruang bakar untuk dibakar bersama dengan fuel/bahan bakar. Bahan bakar yang umum dipakai dalam ruang bakar ini adalah gas alam (natural gas). Selain gas alam, bahan bakar yang biasa dipakai sebagai bahan bakar adalah fuel oil/ minyak dengan efisiensi tinggi. Bahan bakar yang dibakar dengan udara bertekanan berfungsi untuk menaikkan temperatur.

Combuster didesain untuk menghasilkan campuran, pengenceran dan pendinginan sehingga gas yang keluar dari ruang bakar merupakan temperatur rata-rata dari campuran. Panjang dari ruang bakar didesain dengan mempertimbangkan waktu dan tempat yang cukup untuk bahan bakar bisa terbakar sempurna dan memudahkan pemantik untuk membakar bahan bakar menjadi lebih mudah.

Desain ruang bakar juga mempertimbangkan masalah residu pembakaran. Desain ruang bakar harus mempertimbangkan bagaimana mereduksi gas NOx.

C. TurbinePada turbin gas, temperature and preassure drop

dikonversi diubah menjadi energi mekanik. Konversi energi berlangsung dalam dua tahap.

Pada bagian nozzle, gas panas mengalami proses ekspansi, sedangkan energi panas diubah menjadi energi kinetik. Hampir 2/3 dari kerja yang dibutuhkan dari siklus ini diperlukan untuk menggerakkan kompresor. Sehingga kerja output dari turbin dipakai untuk menggerakkan poros penggerak beban, hanya mempresentasikan 1/3 dari kerja siklus.

Pada turbin, khususnya pada stage pertama, yang menggerakkan bucket dan disc, harus mampu menahan temperatur yang cukup ekstrim (2200°F/

1204°C). Temperatur yang sangat tinggi ini juga bercampur dengan kotoran/ kontaminan dari udara dan bahan bakar sehingga sangat rawan terkena korosi.

Kontaminasi ini sangat sulit untuk dikontrol,sehingga dibutuhkan bahan paduan/alloys dan proses coating yang cukup bagus untuk melindungi material dari korosi dan memaksimalkan umur dari komponen ini.

IV. SIKLUS P-V DAN T-S TURBIN GAS IDEAL

Grafik 1 P - V

proses 1-2 : Proses pemempatan udara secara isentropik dengan menggunakan kompresor

proses 2-3 : Pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Pemasukan bahan baker ini dilakukan di dalam combuster

proses 3-4 : Proses ekspansi gas hasil pembakaran (dari combuster). Ekspansi gas panas hasil pembakaran dilakukan pada turbin. Ekspansi dilakukan dalam kondisi isentropik.

proses 4-1 : Proses pembuangan panas pada tekanan konstan.

Pada proses kompresi udara (proses 1-2), secara termodinamika kompresor membutuhkan kerja sebesar selish entalpi antara inlet kompresor dengan exhaust kompresor. Pada combuster (proses 2-3) terjadi pemasukan kalor dari pembakaran bahan bakar bersama-sama dengan udara yang dimampatkan.

Sedangkan pada proses ekspansi pada turbin (proses 3-4), gas hasil pembakaran digunakan sebagai tenaga

untuk memutar sudu-sudu pada rotor turbin. Rotor yang berputar ini akan memutar poros/shaft.

Isentropik merupakan kondisi entropi yang terjadi konstan dan tidak ada transfer kalor. Secara matematis kerja dan panas yang dihasilkan atau dilepaskan pada siklus brayton dituliskan sebagai berikut.

Kerja yang dilakukan kompresorWc= ma (h2-h1).

Kalor yang diberikan pada Combuster Qc= (ma+mf)(h3-h2)

Kerja yang dihasilkan turbin Wt= (ma+mf)(h3-h4)

Dimana ma adalah massa dari udara dan mf adalah massa bahan bakar. Namun pada aplikasi di lapangan, siklus secara ideal ini sangat sulit tercapai. Entropi akan naik dan tekanan akan turun.

Grafik 2 T – S

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal karena tetap terjadi kerugian-kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performansi turbin gas itu sendiri jika dibanding dengan kondisi ideal.

Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar, Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja, dan adanya

kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

V. APLIKASI MESIN TURBIN GAS

Mesin turbin gas mengalami banyak perkembangan dan penyempurnaan untuk memenuhi kebutuhan mesin pada industry dan kendaraan, beberapa pengaplikasian mesin turbin gas antara lain

A. Mesin Jet Pesawat

Dengan karakter mesin turbin gas yang kuat dan memerlukan udara yang banyak untuk proses pembakaran sehingga cocok untuk digunakan sebagai mesin pesawat jet yang memerlukan kecepatan dan minim getaran dibanding mesin propeller.

B. Pembangkit Listrik ( Penggerak Generator )

Selain digunakan untuk pesawat dan kendaraan berat, mesin jet turbin gas juga dimanfaatkan untuk penggerak generator untuk pembangkit listrik keperluan Industri.

REFERENCES

[1] http://id.wikipedia.org/wiki/

Turbin_gas#Prinsip_Kerja_Sistem_Turbin_Gas_.28Gas-Turbine_Engine.29hidrolik.html

[2] http://id.wikipedia.org/wiki/Komponen_mesin_jet[3] http://faudhi-otomotiv.blogspot.com/[4] http://artikel-teknologi.com/prinsip-kerja-turbin-gas/[5] http://artikel-teknologi.com/siklus-brayton/[6] http://birulinc.com/prinsip-kerja-turbin-gas/[7] http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_gas#Siklus_Brayton