efisiensi propulsi (propulsive efficiency) ηp

dengan penyesuaian penggunaan sistem

pendorong (propeler, propfan, turbofan, dan

sebagainya) terhadap kecepatan jelajah

(cruising speed).

Kedua, menekan harga Thrust Specific

Fuel Consumption (TSFC, lb fuel/thrust/hr)

dengan memerbesar Bypass-Ratio (BR).

Pembahasan mengenai hal ini merupakan

“perspektif historis” dari sistem propulsi

yang digunakan oleh Boeing sebagai

produsen pesawat komersial terbesar di

dunia. Dalam bahasan ini juga dikemukakan

pengembangan aspek-aspek yang lebih luas,

yang telah membawa motor turbin gas ke

kondisi seperti kita temui masa kini.

29

Dalam artikel pendahulu PROPULSI, telah

dipaparkan mengenai perkembangan sistem

propulsi pesawat terbang sejak tahap awal

dengan Gnome rotary engine, kemudian V-in

line piston engine dan radial engine yang

berdaya besar guna memberi tenaga dorong

bagi pesawat-pesawat dalam PD II. Tetapi

dengan ditemukannya motor “turbin gas”,

maka segalanya berubah dan sistem propulsi

pesawat terbang praktis dikuasai oleh motor

jenis baru ini.

Pada “pola pengembangan Abraham”

yang merupakan acuan dari pembahasan ini,

pengembangan motor turbin gas

dilaksanakan dalam dua jalur.

Pertama, peningkatan daya guna atau

Boeing sebagai pembuat pesawat-pesawat komersial terkemuka di dunia, selama kurun waktu

kurang lebih setengah abad telah mencapai

kemajuan-kemajuan signifikan dalam menerapkan

sistem propulsi yang berkembang sangat maju. Hal ini terutama ditunjukkan oleh perkembangan

penggunaan bahan bakar yang semakin irit (fuel

efficient) dan kehandalan (reliability) operasinya yang semakin tinggi.

Perkembangan tersebut terjadi pada motor

turbin gas yang selama lima dekade terakhir dalam abad ke-20 telah menggantikan motor piston

generasi terbaru. Dibandingkan dengan pesawat-

pesawat transpor sehabis PD II yang masih

menggunakan propeler yang bersumber tenaga

motor piston yang termaju (pada waktu itu), para airliner masa kini yang bertenaga motor turbin gas

memiliki keunggulan-keunggulan dalam performa

sebagai berikut:

Terbang dua kali lebih cepat (pada Mach 0,8-0,9).

Mengangkut sampai 10 kali lipat jumlah pemumpang (hampir 500 orang).

Mencapai jarak dua setengah kali lebih jauh (sampai 8.000 km).

Berat tinggal landas (take-off weight) mencapai lima kalinya (sampai 360.000 kg; lebih besar lagi pada Airbus A-380).

SETENGAH ABAD

PERKEMBANGAN MOTOR

TURBIN GAS

SETENGAH ABAD

PERKEMBANGAN MOTOR

TURBIN GAS

30

Penggunaan bahan bakar lebih irit, hanya sepertiganya dari yang biasanya diperlukan per seat-mile pada penerbangan jarak jauh pesawat-pesawat komersial, para airliner terdahulu

Dalam aspek perancangan dan operasionil

motor turbin yang berwujud turbofan telah mengalami perkembangan yang luas dibandingkan

dengan tahap awal—tahun-tahun 50-60-an—yaitu:

Besarnya gaya dorong (thrust) untuk lepas landas mencapai 4-5 kali lipat.

Pemakaian bahan bakar spesifik (specific fuel consumption) turun menjadi setengahnya.

Pada keunggulan-keunggulan tersebut, besarnya berat spesifik (specific weight: per lb berat enjin untuk menghasilkan gaya dorong; lb thrust/lb engine weight) masih tetap sama.

Juga memiliki batasan ukuran enjin (nacelle)yang masih sama.

Tidak diperlukan lagi ―frequent periodic overhaul‖.

Memiliki kemampuan untuk menjaga/memertahankan kinerja motor.

Motor turbofan sekarang sepenuhnya dikendalikan oleh FADEC (Full Authority Digital Electronic Control)—simak hlm 36.

EVOLUSI

DALAM PERKEMBANGAN

SISTEM PROPULSI

TANTANGAN YANG DIHADAPI

PADA 1940-AN

Boeing Stratocruiser (lihat hlm. 18) adalah

pesawat transpor/penumpang yang menggunakan propeler dengan tenaga (4 buah) motor torak Pratt

& Whitney R-4360, 28 silinder diatur dalam 7 baris

memanjang agak meliuk sekaligus radial, masing-

masing berdaya 3.500 DK. Enjin ini merupakan motor torak terbesar yang pernah diproduksi dan

juga yang terakhir.

Motor berpropeler memiliki efisiensi propulsi yang relatif tinggi pada kecepatan agak rendah dan

segera menurun pada kecepatan yang lebih tinggi.

Hal terakhir ini disebabkan propeler dengan daun-

Gbr.1 Efisiensi propulsi dari berbagai sistem propulsi dalam kaitannya dengan kecepatan terbang

Pola Abraham PROPULSI (Mengacu hlm. 4) Bypass ratio spectrum

Through increase in bypass ratio up to 30 % in specific fuel consumption (sfc) could be gained against today’s engines. The prototype UDF is already flying in a B 727 testbed.

31

daunnya yang tebal menimbulkan peningkatan hambatan (drag) akibat kompresibilitas udara pada

kecepatan tinggi yang terjadi di ujung daun (blade

tip).

Selain itu motor torak yang paling mutakhir sekalipun untuk daya yang lebih besar lagi,

ukurannya akan menjadi terlalu besar dan sangat

rumit/kompleks. Sehingga akan mudah mengalami gangguan temperatur yang berlebihan (overhetaing)

juga pada sistem penyalaan (ignation). Propeler

dapat mengalami gangguan seperti putaran yang tak terkendali, kerusakan pada daun propeler sehingga

memerlukan pemeliharaan yang sangat teliti.

TANTANGAN YANG DIHADAPI

PADA 1950-AN

Pada awal 1950-an sudah mulai dirasakan

adanya kebutuhan dari industri transportasi udara terhadap pesawat terbang dengan kecepatan tinggi

yang beroperasi pada ketinggian lebih besar guna

mencapai kinerja pesawat lebih optimal.

Pesawat berpropeler apalagi yang ditenagai motor torak sudah tidak dapat lagi memenuhi

harapan tersebut. Kenyataan ini mendorong industri

enjin pesawat untuk memerkenalkan dan memanfaatkan motor turbin gas atau turbojet yang

sudah dikembangkan dalam PD II. Sistem propulsi

baru ini memiliki efisiensi propulsi yang terus ditingkatkan dengan semakin tingginya kecepatan

terbang. Motor turbojet ternyata memungkinkan

penerbangan yang ekonomis pada kecepatan dan

ketinggian yang lebih besar. Dengan tidak menggunakan propeler yang

memiliki mekanisme kontrol yang sangat rumit,

motor turbojet pengoperasiannya lebih sederhana sehingga dapat meningkatkan taraf kehandalannya

(reliabil ity level ). Per iode ―antarover -

haul‖ (pemeliharaan berat) dengan cepat me-

ningkat setelah motor ini operasinya melampaui 4.000 jam. Industri pesawat terbang (waktu itu)

kemudian dihadapkan pada dua pilihan konsep

sistem propulsi untuk pesawat-pesawat transpor

mendatang: turboprop atau turbojet. Propulsi dengan propeler masih efisien pada

kecepatan dan ketinggian rendah. Sedangkan motor

turboprop mengkombinasikan efisiensi pada waktu

tinggal landas dan efisiensi turbin yang tinggi saat terbang di ketinggian. Namun demikian masalah

dengan propeler tetap saja akan menjadi beban

sepanjang penggunaannya. Boeing kemudian memutuskan untuk menggunakan motor turbojet

untuk pesawat-pesawat transpor komersialnya.

Sejak 1958 dengan beroperasinya Boeing 707 (lihat hlm. 27), dapatlah disebut sebagai awal dari

―Abad Jet‖ (Jet Age). Pesawat ini terbang lebih

cepat dan lebih tinggi dari pesawat-pesawat

komersial sebelumnya dengan mengangkut penumpang lebih banyak serta menjangkau jarak

yang lebih jauh. Pesawat ini yang awalnya

menggunakan dua enjin Pratt & Whitney JT3-6 dengan gaya dorong masing-masing 13.500 lb,

kemudian diganti dengan P & W JT3D-3D yang

memiliki sea level take-off thrust 18.000 lb. Atau dengan Rolls-Royce ―Conway‖ dengan gaya

dorong 17.600 lb.

Kedua enjin terakhir ini adalah turbofan dengan

BR rendah, namun telah dapat melakukan penghematan bahan bakar sebanyak 13-14 %.

Ternyata semua motor turbojet/turbofan juga

memiliki kehandalan operasi yang lebih tinggi, in flight shut-down rate-nya lebih baik (kecil)

sehingga periode overhaulnya jauh lebih lama.

Gbr. 3 (atas) Keterkaitan antara BR dengan TSFC

Gbr. 2 De Havilland “Gyron” adalah motor turbojet dengan “single spool”,

generasi pertama yang dioperasikan secara luas pada tahun 60-an

32

temperatur masuk turbin (turbin inlet temperature/TIT).

Meningkatkan Efisiensi Termal

Peningkatan efisiensi termal ini dilakukan

dengan penggunaan tekanan dan TIT yang tinggi di mana pada motor turbojet menghasilkan pancaran

gas berkecepatan tinggi, sehingga efisiensi

propulsif meningkat. Dengan menerapkan aliran

bypass pada motor turbofan, kecepatan rata-rata gas buang akan menurun. Semakin besar BR, kecepatan

rata-rata gas buang semakin rendah. Kecuali

meningkatkan efisiensi propulsi, hal ini juga menurunkan ambang kebisingan (noise level) yang

menguntungkan aspek lingkungan.

Keuntungan lain dari turbofan dibandingkan dengan turbojet adalah berat spesifik dari motornya

sendiri—seperti disinggung pada hlm 30—lebih

ringan. Hal ini disebabkan pada turbojet, seluruh

aliran udara melewati kompresor, ruang bakar dan turbin. Sedangkan pada turbofan—apalagi dengan

BR tinggi—hanya sebagian kecil massa udara yang

masuk inlet melewati jalur tersebut untuk memproses sebagian kecil dari gaya dorong;

sehingga komponen-komponennya dibebani lebih

ringan, diameter bagian-bagian berputar menjadi lebih kecil, di samping itu ukuran keseluruhan enjin

menjadi lebih pendek.

Dengan demikian, motor turbofan dengan BR

tinggi selain memiliki TSFC yang lebih baik (rendah) juga unggul dalam power/weight ratio

(nilainya juga kecil). Gambar-gambar pada Gbr.8,

Gbr. 9 dan Gbr. 10 menunjukkan kecenderungan perkembangan dari faktor-faktor tersebut terhadap

waktu.

TANTANGAN YANG DIHADAPI

PADA 1960-AN

Pada pertengahan 1960-an industri pesawat

terbang menetapkan perlunya memproduksi

pesawat ―Jumbo Jet‖. Untuk itu para produsen motor pesawat telah menetapkan untuk

memanfaatkan secara maksimal penerapan BR yang

besar guna memungkinkan peningkatan efisiensi propulsi yang tinggi sehingga dapat dicapai

efisiensi bahan bakar yang lebih baik (lebih hemat).

Jadi, dalam hal ini sasaran utama adalah: enjin

dengan efisiensi bahan bakar (fuel efficiency)

tinggi atau TSFC yang rendah. Sejak itu, hal ini merupakan kriteria dalam

perancangan dan pengembangan enjin serta dibarengi dengan usaha perbaikan berat spesifik

(specific weight).

TSFC merupakan indikator dari efisiensi total enjin: efisiensi termal dan propulsi (total engine

efficiency: thermal & propulsive efficiency).

Kinerja motor turbin gas (turbojet/turbofan)

ditentukan oleh:

a. Kemampuan dalam mengkonversikan panas

hasil pembakaran bahan bakar menjadi energi

kinetik sebagaimana diwujudkan dalam bentuk kecepatan pancar gas, ini dinyatakan sebagai

efisiensi termal.

b. Kemampuan dalam mengkonversikan energi kinetik dari pancar gas tersebut menjadi energi

pendorong, dinyatakan sebagai efisiensi

propulsi.

Efisiensi termal ini juga tergantung dari

rasio tekanan (pressure ratio) yang dihasilkan oleh

kompresor terhadap tekanan udara luar dan juga

Gbr. 4 UDF (unducted fan) atau propfan experimental dari General Electric yang dipasang pada MD-90. Sistem propulsi ini tidak berkelanju-tan.

33

Mengenai peningkatan efisiensi termal dengan menggunakan tekanan dan TIT yang lebih tinggi,

memerlukan keterangan sebagai berikut.

Overall Pressure Ratio yang Lebih Tinggi

Lebih tingginya rasio yang dimaksud ini, akan

menyebabkan kecepatan yang tinggi dan

memberikan peluang untuk banyaknya variasi dari

―jalur-jalur operasi‖ (operating lines) antara ―titik awal ketentuan perancangan‖ (design point) dan

kondisi-kondisi di luarnya. Adanya kondisi ―di luar

ketentuan perancangan‖ (off-design) itu memerlukan pengontrolan atas aliran inti (core

flow) supaya tidak melampaui surge margin

(menghindari kompresor stall). Untuk memenuhi

persyaratan ini sudu-sudu startor perlu dibuat dengan geometri yang variabel.

Temperatur Masuk Turbin (TIT) yang Tinggi TIT ini tingginya dibatasi oleh ketahanan panas dari

material yang digunakan untuk sudu turbin maupun

roda turbinnya. Untuk meningkatkan TIT ada konsep baru, yaitu dengan penerapan internal

blade cooling. Artinya, pendinginan sudu turbin

dari dalam daun sudu turbin sendiri dengan

mengalirkan udara relatif dingin berasal dari kompresor tekanan tinggi ke sudu-sudu untuk

mendinginkan permukaannya. Dengan cara ini

turbin dapat bertahan pada temperatur yang lebih tinggi.

Diameter dan Berat Fan

Dengan meningkatnya BR, diameter fan akan menjadi lebih besar. Sudu fan yang konvensional

dibuat dengan proses tempaan dari material utuh

(solid) sehingga umumnya berat. Dengan adanya teknologi titanium, dapat dibuat sudu yang lebih

ringan. Tindakan lebih lanjut untuk mengurangi

berat sudu fan, lebar aksial (chord) dikurangi. Untuk itu diperlukan penopangan di tengah dari

panjangnya sudu.

Pada dasarnya untuk menerapkan BR yang

tinggi pada enjin bergaya dorong besar dan hemat bahan bakar, disyaratkan hal-berikut:

a. Sudu turbin didinginkan secara integral.

b. Kompresor dilengkapi variable geometry stators (dapat distel sudu pemasangannya).

c. Menggunakan sudu fan ringan dari titanium. Efisiensi dari enjin juga akan lebih baik dengan

menerapkan fan satu tingkat (one stage fan)

Gbr. 5 Berbagai jenis motor turbin gas yang memiliki pembangkit tenaga yang pada dasarnya sama: “gas genera-

tor”. Masing-masing jenis pelaksanaan memiliki daerah operasional (kecepatan) sesuai dengan misi pesawat yang

menggunakannya

Gbr. 6 Perkembangan “pressure ratio” selama setengah abad yang bertujuan meningkatkan efisiensi termal.

TURBINE DRIVE,

COMPRESSOR & FAN FAN

HP COMPRESSOR

GAS GENERATOR

LP COMPRESSOR

COMBUSTION CHAMBER

PROPELLER

34

dibanding fan dua tingkat. Seperti pada enjin Pratt & Whitney JT3D dan JT8D, di mana penggunaan

inlet guide vanes dapat dihindarkan.

Boeing 747, pesawat jumbo jet, yang memiliki

badan lebar (wide body), beroperasi sejak 1970 menggunakan enjin P&W JT9D-3A, sebuah

turbofan dengan BR tinggi dan gaya dorong 20.000

-23.000 lb. Motor-motor turbofan buatan Rolls-Royce (RB 211) dan General Electric (CF6), seperti

halnya P&W di atas, juga memiliki BR 4-5,

merupakan tenaga pendorong alternatif pesawat raksasa tersebut, sampai tahun 80-an.

Meningkatkan Efisiensi Propulsi

Mengenai efisiensi ini perlu diberi keterangan

lebih lanjut sebagai berikut. Efisiensi propulsi adalah rasio antara besarnya

daya tersedia (available power)—gaya dorong

dikalikan kecepatan udara luar—terhadap energi

kinetik dari kecepatan pancar gas yang dihasilkan enjin. Gaya dorong neto (net thrust) FN adalah

perubahan momentum dari arus pada enjin: FN = m

(VJ – V0). Maka efisiensi propulsi ini dapat

dinyatakan dalam formula:

FN × V0 2

ηp = ————–— = —————

m (VJ2—V0

2)/2 2 + (FN/W)g/V0

di mana:

W berat udara yang masuk: m × g

(m = massa udara ; g = gravitasi)

VJ kecepatan gas buang (exhaust velocity)

V0 kecepatan arus udara bebas atau kecepatan pesawat terbang

Persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:

2

ηp = ————–

1 + VJ/V0

Efisiensi propulsi akan meningkat dengan

menurunnya harga ―specific thrust‖ (FN/W): rasio

antara gaya dorong terhadap berat arus udara yang

masuk. Efisiensi propulsi dapat ditingkatkan cukup besar dengan mengurangi terjadinya energi yang

terbuang (dissipation) akibat pancaran gas buang

(VJ). Energi terbuang ini besarnya ditentukan oleh

perbedaan antara VJ dan V0. Apabila kecepatan

pesawat bertambah maka efisiensi propulsi akan meningkat pula, dengan asumsi bahwa kecepatan

gas buang praktis tidak berubah (Gbr. 1). Artinya

VJ dan V0 harus didekatkan untuk mencapai ηp yang lebih besar. Hal ini ditunjukkan pada Gbr.1,

yaitu memilih jenis propulsi untuk kecepatan

operasi tertentu. Pada motor turbojet, semua udara yang

memasuki inlet akan mengalir melalui jalur inti

(core) atau jalur tengah: kompresor, ruang pembakaran (combustion chamber) dan turbin.

Kemudian keluar sebagai gas buang (exhaust) pada

kecepatan dan temperatur tinggi.

Pada motor turbofan, udara yang memasuki inlet terbagi dua. Sebagian akan masuk kompresor

yaitu jalur inti dan mengalami proses seperti pada

turbojet. Sedangkan sebagian lagi, yakni bagian luar akan melewati fan dan langsung dipancarkan

ke belakang pada kecepatan dan temperatur relatif

rendah. Perbandingan massa dari kedua bagian arus

tersebut disebut baypass ratio (BR). Jadi enjin yang memiliki BR 5, misalnya, massa arus dingin atau

cold flow (disebut juga secondary flow) adalah lima

kali arus panas atau hot flow (primary flow atau core flow)—lihat Gbr. 13 (hlm. 37).

Gbr. 7 Untuk tujuan yang sama, perkembangan dalam menggunakan materialyang memiliki ketahanan lelah

pada temperatur tinggi, misalnya “keramik”. Pendinginan sudu juga dilakukan. Gbr. 8 Perkembangan “power/weight ratio”

35

Perkembangan menunjukkan bahwa dengan peningkatan BR maka gaya dorong spesifik dan

dengan demikian TSFC, atau berat bahan bakar

yang diperlukan untuk menghasilkan setiap lb gaya

dorong dalam setiap jam akan berkurang (mengecil), berarti motor bekerja secara lebih

ekonomis atau memiliki efisiensi propulsi yang

lebih tinggi.

TANTANGAN YANG DIHADAPI

PADA 1980-AN

Pada 1970-an industri transportasi udara merasakan adanya kebutuhan terhadap motor pesawat dengan

gaya dorong yang lebih besar lagi, lebih hemat

bahan bakar, dan memiliki kehandalan (reliability) yang lebih tinggi, pengendalian yang lebih mudah

dalam arti serba otomatis. Selain itu juga

diharapkan dapat memertahankan kinerjanya untuk waktu yang lebih lama.

Para produsen enjin utama memfokuskan usaha

pengembangannya terutama untuk meningkatkan

efisiensi dari komponen-komponennya dan menggunakan alat kontrol enjin yang—seperti

disinggung pada hlm 30—disebut FADEC .

Desain Ulang Komponen-Komponen

Sudu fan didesain ulang (redesign) yakni menerapkan fan chord yang lebih lebar.

Dengan ini, jumlah sudu yang diperlukan lebih

sedikit. Selain itu chord sudu fan yang lebih lebar memberikan efek aerodinamis yang

diperlukan dan dengan demikian tidak

diperlukan lagi penopangan di tengah-tengah

sudu (midspan fan chord). Penerapan konstruksi sandwich yang

berintikan ―sarang lebah‖ (honey comb) dan

berkulitkan titanium maka berat sudu dapat

dikurangi (diperingan). Kedua perbaikan ini lebih meningkatkan

efisiensi sudu fan.

Kerapatan Celah yang Lebih Baik dari

Bagian-Bagian yang Berputar

Celah antara ujung sudu turbin dengan casing-

nya perlu dibuat lebih rapat. Dilaksanakan dengan penyemprotan udara dingin dari fan pada casing

bagian luar sehingga lebih mengkerut (shrinking),

mengurangi ―tip clearance‖ yang menimbulkan kebocoran. Hal ini mengakibatkan perbaikan

efisiensi bahan bakar (TSFC). Celah juga dapat

dirapatkan dengan memasang strip sangat tipis.

Penerapan Teknologi Maju pada

Pembuatan Sudu dan Roda Turbin

Roda turbin berputar pada kecepatan tinggi

sehingga menanggung beban berat berupa tegangan

(stress). Umur roda turbin ini sangat tergantung

pada kekuatan materialnya, terutama terhadap keretakan akibat kelelahan (fatigue crack).

Penambahan elemen-elemen campuran logam

dalam nikel dapat memerpanjang umur pemakaian roda turbin karena hal ini meningkatkan ketahanan

terhadap kelelahan. Roda turbin yang dibuat dengan

powder metallurgy memungkinkan kecepatan putar yang lebih tinggi lagi.

Sudu-sudu turbin sering menjadi merah

membara selama penggunaannya dan dirancang

untuk dapat tetap bertahan terhadap beban gaya sentrifugal akibat kecepatan yang tinggi dari arus

udara dalam proses termodinamis. Sudu turbin

harus memiliki daya tahan terhadap kelelahan dan kejut termal (thermal shock). Begitu pula terhadap

korosi dan oksidasi. Jenis material khusus

Gbr. 9 Pelaksanaan desain baru sudu fan dengan “wide chord”, material titanium dan berongga

untuk pendinginan

Gbr. 10 (atas-kanan) Karakteristik mekanis struktur mikro dari material yang digunakan dan usaha

peningkatannya

36

digunakan untuk membuat daun sudu agar memiliki safe-life temperature limit yang menentukan TIT

yang diijinkan. Setelah beberapa waktu, sudu turbin

memanjang dan fenomena ini disebut creep.

Sudu yang diproses secara konvensional dengan machining menunjukkan bahwa struktur mikronya

terdiri dari bermilyar kristal yang berorientasi pada

arah tertentu (equi-axed). Umur operasi daun turbin dpat diperpanjang dengan mengarahkan kristal-

kristal untuk membentuk pilar sepanjang daun sudu.

Hal ini dapat dilaksanakan dengan teknik manufaktur yang disebut pengukuhan arah

(direction solidification). Pengembangan dari

proses ini disebut single cristal blading, yang

memungkinkan penggunaan sudu pada temperatur yang lebih tinggi dengan umur operasi yang lebih

panjang. Gbr. 12 menunjukkan perbaikan creep

characteristic dari sudu turbin yang dibuat dengan berbagai proses.

Pengembangan dalam Teknik Mendesain

Desain airfoil 3-dimensi diterapkan pada

kompresor dan turbin untuk perbaikan efisiensi

aerodinamis begitu juga untuk umur pemakaian (usability). Airfoil didesain dengan leading edge

dan trailing edge yang lebih tebal untuk

menyiapkan lebih meratanya (uniform) aliran aerodinamis tanpa terjadi separasi di seluruh area

sudu sehingga lebih dapat mencegah erosi. Vance

gradient yang radial direncanakan untuk

meningkatkan efisiensi aerodinamis dari turbin tekanan rendah (LP turbine) dengan mengurangi

kerugian pada ujung sudu (endwall losses). Untuk

memerbaiki efisiensi sistem kompresi dan mengurangi jumlah airfoil, diterapkan airfoil untuk

pengaturan difusi (diffusion).

Perapat (seal) udara pada bagian luar yang

dibuat dari material ―keramik‖ (ceramic) yang abiant digunakan pada turbin tekanan tinggi (HP

turbine) untuk membatasi secara minim celah

(clearance) pada waktu operasi dan selanjutnya memerbaiki efisiensi operasi.

Perbaikan Integritas Struktur

Penyelidikan dan pengetesan yang ekstensif

telah menunjukkan bahwa deformasi/

pembengkokkan dari engine casing menyebabkan terjadinya deteorisasi pada enjin. Penambahan

kekakuan (stiffness) dan bearing diterapkan untuk

mencegah/mengurangi deformasi tersebut, memerbaiki tetap terpeliharanya kinerja enjin.

Begitu pula cowling yang ikut menahan beban

dimanfaatkan untuk mencapai ―kekakuan dari

keseluruhan enjin‖ (overall stiffness). Dan juga mengurangi kerugian-kerugian yang disebabkan

deformasi casing.

FADEC (Full Authority Digital Engine

Control)

FADEC diperkenalkan untuk mengurangi beban kerja awak pesawat, dan juga untuk lebih

memastikan hal-hal terkait enjin. Seperti

penghematan bahan bakar, memertahankan kinerja

enjin, mengurangi biaya pemeliharaan enjin, serta lebih meningkatkan informasi mengenai integrasi

antara enjin dan pesawat. FADEC mengatur secara

presisi gaya dorong enjin dan memproteksi batas-batas (red line, limit) kecepatan putar rotor. Selain

itu juga mencegah terjadinya secara tidak sengaja

―engine overshooting‖ (enjin secara mendadak meningkat putaran dan gaya dorongnya) yang

menyebabkan deteriosasi dan merusak enjin.

Gbr. 12 (atas) Sudu fan terbuat dari material komposit (fibre glass) untuk mencapai kekuatan tinggi tetapi cu-

kup ringan.

Gbr. 11 (kiri) Bagian-bagian utama dari “cowling” se-buah motor turbofan modern yang biasanya dilaksanakan

dengan menggunakan material “composite” terdiri dari lapisan-lapisan “carbon”, “Kevlar”, dan sebagainya.

37

PERKEMBANGAN TIPE-TIPE

MOTOR

GAMBARAN UMUM - MOTOR

Bagian-bagian utama motor dengan dua poros engkol (two spool engine), seperti terlihat pada Gbr.

15, adalah:

Satu atau dua tingkat fan.

Sejumlah tingkat kompresor tekanan ren-

dah (LPC).

Tabung antara (intermediate casing).

Sejumlah tingkat tekanan tinggi (HPT), difuser, ruang bakar, satu atau dua tingkat

turbin tekanan tinggi (HPT), beberapa ting-

kat (4-7 stage) turbin tekanan rendah (LPT), masing-masing tabung HPT dan

LPT.

Fan LPC diputar oleh LPT, sedangkan HPC

diputar oleh HPT.

Pada motor dengan tiga poros (3 spool en-gine) ada tambahan satu poros antara

(intermediate spool) yang terdiri dari kom-

presor untuk tekanan antara yang diputar oleh turbin tekanan menengah/antara (IPT).

GAMBARAN UMUM - NACELLE Komponen utama suatu nacelle, seperti terlihat

pada Gbr. 13, adalah:

Gbr. 13 Ciri-ciri dari penggunaan BR yang kecil atau besar.

Enjin dengan BR kecil (0,8-1,5) memiliki diameter luar yang kecil. Enjin ini digunakan pada pesawat-pesawat tempur berkecepatan tinggi sampai Mach 1,6-2,4 (supersonik).

Inlet yang mudah dilepas.

Tutup fan yang tetap (fixed fan cowl).

Thrust reverse core (arus dalam).

Primary exhaust system.

Semula nacelle didesain agar sederhana dan efisien untuk sebuah enjin. Pada akhir tahun 60-an,

nacelle disyaratkan pemasangan akustik (untuk

meredam kebisingan) guna memenuhi persyaratan lingkungan yang berlaku. Nacelle dapat didesain

sebagai sistem arus yang terpisah antara fan nozzle

flow dan primary nozzle flow pada exit. Suatu sistem

exhaust dapat juga didesain secara terpadu antara fan nozzle flow, di mana gas dari fan flow dan pri-

mary flow dicampur secara terpadu keluar dari no-

zzle gabungan. Sistem ini disebut integrated nozzle assembly (mixed).

PERKEMBANGAN PADA 1990-AN

Pada 1986/1987 banyak sekali usaha ditempuh

untuk mengembangkan sebuah pesawat transpor

baru: Boeing 777. Pesawat yang akan menggunakan enjin dengan teknologi terbaru yang dapat lebih

menghemat bahan bakar. Salah satu teori untuk

mewujudkan hal ini adalah penggunaan enjin jenis UDF (unducted fan) atau juga disebut ―propfan‖.

Enjin yang seperti dibuat oleh General Electric

(lihat Gbr. 4 hlm. 32) dengan bypass ratio sangat

tinggi (BR 35) dan dirancang untuk mencapai penghematan bahan bakar sampai 25 %

dibandingkan dengan enjin yang memiliki BR 5.

Namun karena alasan-alasan teknis dan nonteknis penerapan UDF ditunda.

Turbofan dengan BR besar (4-6) memiliki diameter fan yang besar. Enjin ini digunakan pada airliner yang beroperasi pada Mach 0,6-0,9.

38

Guna menyediakan tenaga propulsi pesawat-pesawat besar bermotor dua pada akhir 1980-an dan

awal 1990-an, seperti Boeing 777 dan Airbus 330

dengan berat mendekati 500.000 lb dan kapasitas

angkut sekitar 300 penumpang dan menempuh jarak lebih dari 8.600 km, diperlukan enjin dengan

gaya dorong di sekitar 100.000 lb. Penggunaan

hanya dua motor pada pesawat sebesar itu dengan performa tinggi, menunjukkan kehandalan yang

sangat tinggi yang telah berhasil dicapai dalam

pengembangan desainnya, di samping perbaikan dalam penghematan bahan bakar.

Ketiga pembuat enjin paling terkemuka di

dunia, Pratt & Whitney (P&W) dan General

Electric (GE) di Amerika serta Rolls-Royce (R-R) di Inggris, bersaing ketat sekali dalam kelas ini.

P&W mengembangkan berdasarkan seri PW 4000,

GE pada GE 90, sedangkan R-R pada RB 211 Trent, yang semuanya telah mencapai 100.000 lb.

Enjin-enjin tersebut akan dapat pula dengan baik

melayani pesawat transpor baru yang lebih besar dari Boeing 777, yakni Airbus 380 yang akan

beroperasi pada awal abad ke-21. Dengan gaya

dorong sebesar itu, enjin-enjin tersebut akan

memiliki fan dengan diameter 100 sampai 160 inci (2,5 - 4 m), pressure ratio mendekati 45 dan TIT

melampaui 2.700 0 F (1.500 0 C). Pada pembuatan-

nya, sebagian besar masih akan dilaksanakan dengan teknologi tahun 90-an yang sudah matang

(mature), namun untuk pengembangan selanjutnya

terdapat pembatasan, limitasi-limitasi sebagai

berikut.

Seberapa jauh kemampuan material baru yang

digunakan untuk sudu turbin dan proses-proses manufaktur untuk dapat tahan terhadap

temperatur lebih tinggi lagi.

Kekokohan (stifness) dari tabung fan (fan casing) pada diameter yang semakin besar,

seberapa jauh dapat dilaksanakan.

Gbr. 14 Indikator dari kehandalan yang semakin tinggi adalah semakin kecilnya “unscheduled engine removal”.

Untuk menghemat bahan bakar (TSFC lebih

rendah) perlu diterapkan BR tinggi. Pada enjin-enjin besar tersebut di atas, diterapkan BR 9.

Untuk lebih besar lagi, berarti fan semakin

besar diameternya, perlu diperlambat putarannya dengan gearbox; batasan untuk ini

adalah BR 10. Hal ini akan menambah

kompleksitas dan berat enjin. Diameter besar

juga akan menyebabkan hambatan, drag, yang lebih besar.

Namun, limitasi-limitasi yang merupakan

tantangan ini tetap diantisipasi dengan percobaan-percobaan oleh para pembuat enjin. Misalnya

Allison mencoba Allison 2000, enjin dengan gaya

dorong 20.000 lb pada BR 12, di mana mulai diperlukan gearbox, karenanya disebut ―geared

fan‖. Maka pengembangan propulsi terus berlanjut.

PENUTUP Teknologi powerplant (sistem propulsi) telah

mengalami perkembangan mengagumkan selama 50

tahun ini, yaitu setelah abad perkembangan motor turbin gas dengan segala versi dan penerapannya.

Perkembangan ini terutama berwujud semakin

besarnya gaya dorong dan semakin baiknya

efisiensi bahan bakar yang memungkinkan semakin luasnya transportasi udara dengan menggunakan

pesawat-pesawat yang semakin besar dan semakin

tinggi performanya. Hal ini dibarengi dengan kehandalan enjin, yang

semakin meningkatkan keselamatan terbang di

samping kenyamanan terbang yang disajikan. Enjin-enjin tersebut memerlukan biaya perawatan lebih

rendah, memiliki in-flight shut-down rate yang

rendah, begitu juga unscheduled engine removal

rate-nya. Seberapa jauh lagi perkembangan masih akan dicapai, perlu diamati dengan saksama.

Di atas telah dipaparkan perkembangan dari

Gbr. 15 Hal yang sama ditunjukkan oleh “in-flight shut-down rate”. Kedua indikator ini terjadi pada PW JT9D.

Years 1971-1990

1970 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90

Years 1971-1990

1.50

Events Per 1000 Hours

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

0

1970 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90

0

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

Events Per 1000 Hours

AIRPLANE

YEAR

ENGINE

DESIGNATION

TAKE-OFF

THRUST

BYPASS

RATIO

OVERALL

PRESSURE

RATIO

WEIGHT

POUNDS

747 1974 CF6-50 52,500 4,24 30.1 8490

767 1982 CF6-80A 48,000 4.66 28.0 8420

767 1984 CF6-80A2 50,000 4.59 29.0 8420

767-200ER 1987 CF6-80C2 61,500 5.09 31.1 9135

747-400 1989 CF6-80C2 FADEC 57,900 5.19 29.3 9135

767-300 1989 CF6-80C2 FADEC 61,500 5.05 31.1 9164

B777 1992 GE90 90,000 + - 40 7550

Joint ventures

737-300, -400 1984 CFM56-3 20,000 − 6.00 26.5 4860

-500 23,500

39

PERKEMBANGAN DALAM PRODUKSI OLEH TIGA PRODUSEN UTAMA

GENERAL ELECTRIC

Gbr. 16 Gambar cut-away GE90 lengkap dengan cowling engine terbesar dari GE dengan gaya

dorong 80-110.000 lb ini digunakan pada Boeing 747, 777

dan Airbus 340.

Gbr. 17 GE juga melakukan joint ventures dengan Snecma dari Prancis dalam mengembangkan dan mem-produksi CFM 56 dengan gaya dorong 20-23.000 lb yang ternyata sangat sukses dan merupakan enjin yang paling banyak diproduksi di kelasnya. Semua versi Boeing 737 yang juga pesawat transpor sangat sukses, menggunakan berbagai versi enjin ini.

Tabel 1

motor turbin gas dalam rancangan internalnya—meliputi antara lain kompresor, turbin hingga sistem

kontrol FADEC—yang menghasilkan peningkatan

kehandalan di samping perbaikan SFC.

Sedangkan perkembangan sudu ―fan‖ lebih berkaitan dengan perbaikan SFC berdasarkan

besarnya BR (bypass ratio) sesuai dengan pola

Abraham. Tabel-tabel (di bawah ini) dari tiga produsen enjin terkemuka, menunjukkan hasil

pengembangan selama setengah abad.

Dalam penerbitan mendatang, akan dibahas

pengembangan lebih lanjut berkaitan dengan BR guna mencapai SFC yang optimal.

AIRPLANE

YEAR

ENGINE

DESIGNATION

TAKE-OFF

THRUST

BYPASS

RATIO

OVERALL

PRESSURE

RATIO

WEIGHT

POUNDS

707-420 1956 Conway 301 21,030 0.42 15.0 5159

747-200 1980 RB211-524C2 51,600 4.50 28.6 9859

747 1981 RB211-524D4 53,000 4.40 29.3 9874

747-400 1989 RB211-524G 58,000 4.30 33.0 9874

1990 RB211-524H 60,000 4.10 34.5 9874

757-200 1983 RB211-535C 37,400 4.40 21.1 7294

757-200 1984 RB211-535E4 40,100 − 4.30 25.8 7264

A330-200/300 1994 Trent 772 71,000 5.00 35.5 -

B777-200/300 1996 Trent 884 86,900 5.90 38.8 -

A380 1999 Trent 8104 104,000 5.40 45 -

Joint ventures

B717 1986 BR710-48 22,000 4.20 24.0 -

A320 1992 IAE V2500-A1 25,000 5.40 29.4 -

40

ROLLS-ROYCE

Gbr. 17 Gambar cut-away menunjukkan Rolls-Royce Trent 800 yang memiliki rancangan

unik “3 spool” atau 3 poros yang masing-masing menggerakkan fan, LP & HP compressor. Dengan gaya dorong 86-104.000 lb digunakan

oleh pesawat-pesawat Boeing 747, 777 dan kelak pada pesawat raksasa Airbus 380.

Gbr. 18 V2500 adalah produk dari Internasional Aero Engine yang merupakan joint ventures antara Rolls-Royce, Pratt & Whitney, Motor Turbine Union dari Jerman dan Japanese Aero Engine. Motor dengan rancangan sangat maju ini digunakan pada berbagai versi A320.

Tabel 2

AIRPLANE

YEAR

ENGINE

DESIGNATION

TAKE-OFF

THRUST

BYPASS

RATIO

OVERALL

PRESSURE

RATIO

WEIGHT

POUNDS

Turbojet Engine

707-121 1958 JT3C-6 13,500 - 12.5 4234

707-321 1959 JT4A-12 17,500 - 12.5 5100

Turbofan Engine

707-321B ADV 1963 JT3D-3B 18,000 1.37 13..6 4260

727-100 1966 JT8D-7 14,000 1.10 16.2 3155

727-200 1967 JT8D-17R 16,400 0.98 18.5 3330

747 1969 JT9D-3A 43,600 5.10 21.5 -

747 1973 JT9D-7A 46,150 5.10 22.5 8760

747 1979 JT9D-7Q 53,000 4.90 24.5 9295

747 1983 JT9D-7R4G2 54,750 4.70 28.8 9100

767 1982 JT9D-7R4D 48,000 4.80 27.8 8905

767 1984 JT9D-7R4E 50,000 4.75 28.2 8905

757 1984 PW2037 38,250 6.00 27.6 7185

747-400 1989 PW4056 56,750 4.80 30.2 9200

767 1988 PW4060 60,000 4.70 31.5 9200

B777-100 1992 PW4090 90,000 6.30 - -

B777-200/300 1994 PW4096 98,000 5.80 42.8 -

Joint ventures

A3XX-50/100 1998 GP7267 67,000 7.80 - -

B747-400X 1997 GP7176 76,000 7.80 - -

41

PRATT & WHITNEY

Gbr. 19 Gambar cut-away menunjukkan PW 4084 dengan daun fan dari titanium dan berongga di dalamnya. Dengan gaya dorong 90-98,000 lb, enjin ini bersaing dengan produk-produk dari Rolls-Royce dan General Electric untuk kelas pesawat-pesawat raksasa. Namun begitu, untuk tipe-tipe enjin tertentu, ketiganya juga bekerja sama.

Tabel 3

Djakaria Wiriadisuria (alm.)

Referensi:

1. Balder K. Mehta, Forty Years of Powerplants on Boeing Commercial Airplane, dalam Boeing Airliner

Quarterly, July-September 1990.

2. Flight International.