Studi cara kerja dari komponen dan keamanan mesin turbofan CFM56-5A pada pesawat terbang A320

Abstrak

Tipe mesin pada pesawat terbang yang paling banyak digunakan oleh pesawat terbang saat ini adalah mesin turbofan. Mesin turbofan dikenal memiliki efisiensi bahan bakar yang baik karena dapat menghasilkan gaya dorong yang lebih besar, sehingga mesin turbofan cocok digunakan untuk pesawat terbang berkecepatan tinggi. Studi ini difokuskan pada analisis kinerja jenis mesin turbofan yang digunakan pada pesawat komersial dengan jenis CFM56-5A pada pesawat terbang A320. Pada setiap mesin, dibutuhkan spesifikasi, dimensi dan cara kerja dari setiap komponen-komponen  yang terdapat pada mesin CFM56-5A seperti kipas, kompresor bertekanan tinggi dan rendah, ruang pembakaran, turbin dan knalpot. Selain itu, akan dijelaskan jarak bahaya seseorang terhadap mesin ketika mesin sedang beroperasi di landasan.

Kata Kunci: Turbofan, CFM56-5A, kipas, kompresor, ruang pembakaran, turbin, knalpot dan area bahaya

Abstract

Type of engines on the aircraft most used by current aircraft is a turbofan engine. Turbofan engines are known to have good fuel efficiency because it can produce a greater driving force, so that the turbofan engine suitable for high-speed aircraft. This study focused on the analysis of performance turbofan engine types used on commercial aircraft with fly types CFM56-5A on A319 and A320 planes. On each machine, required specifications, dimensions and the workings of each component contained in CFM56-5A machines such as fans, high and low pressure compressor, combustion chamber, turbine. Moreover, it would also explained a safe distance when the engine is operating at the moment on the runway.

Keywords: Turbofan, CFM56-5A, fan, compressor, combustion chamber, turbine, exhaust and hazard area

1.     Pendahuluan

Mesin turbofan CFM 56 adalah produk dari CFMI (Comercial Motor Fan Internasional). CFM International adalah perusahaan yang dimiliki bersama oleh "General Electric" dari Amerika Serikat dan "Societe Nationale d'Etude et de Konstruksi de Moteurs d'Aviation" (Snecma) dari Perancis.

Kedua perusahaan tersebut bertanggung jawab untuk memproduksi komponen dan masing-masing memiliki jalur perakitan akhir sendiri. GE memproduksi kompresor bertekanan tinggi, ruang bakar, dan turbin tekanan tinggi. Snecma memproduksi kipas (fan), gearbox, knalpot (exhaust) dan turbin bertekanan rendah, serta beberapa komponen yang dibuat oleh Avio dari Italia. Mesin tersebut dirakit oleh GE di Evendale, Ohio. Selain GE, mesin tersebut juga dirakit oleh Snecma di Villaroche, Prancis. Mesin yang telah selesai dipasarkan oleh CFMI.

Mesin CFM56-5A merupakan mesin turbofan yang terdiri atas inlet, fan, gas generator dan nosel. Mesin turbofan awalnya merupakan mesin turbojet yang ditambah dengan fan.

Fan yang besar dapat diletakkan di depan atau di belakang untuk bypass ratio yang tinggi. Jika fan berada di depan mesin, maka fan tersebut digerakkan oleh turbin kedua yang berada dibelakang turbin utama yang menggerakkan kompresor. Adanya fan pada mesin akan membuat jumlah udara yang masuk ke mesin lebih banyak. Hal ini akan membuat mesin dapat menghasilkan gaya dorong yang lebih besar, dengan  Specific Fuel Consumption  yang lebih rendah.

2.     Metodologi

Analisa mesin CFM56-5A ini dilakukan pada dimensi, spesifikasi, komponen-komponen, cara kerja dan jarak bahaya ketika mesin beroperasi. Pengambilan data yang dilakukan terdiri dari mencari mesin yang dianggap menarik, pengamatan bentuk dan komponen-komponen di luar mesin, pengamatan bentuk dan komponen-komponen di dalam mesin, pengamatan ketika mesin sedang beroperasi dan pembahasan jarak bahaya (safety precaution) ketika mesin beroperasi.

3.     Hasil dan Pembahasan

3.1  Dimensi

Seri CFM56-5A merupakan rangkaian yang berasal dari mesin CFM56-5, dirancang untuk daya rentang pendek sampai menengah, contohnya pada pesawat terbang A319 dan A320 pabrikan Airbus.

Gambar 4. Dimensi pesawat terbang A320-200 tampak samping dan depan menggunakan winglet tipe Wing Tip Fence

Gambar 5. Dimensi pesawat terbang A320-200 tampak atas menggunakan tipe winglet Wing Tip Fence

Dimensi panjang sayap ke sayap lainnya bergantung tipe winglet yang digunakan, seperti contoh pada gambar di atas yang menggunakan tipe winglet Wing Tip Fence memiliki panjang antar sayap 111.88 ft (34.10 m) sedangkan ketika menggunakan tipe winglet Sharklet jarak antar sayap memiliki panjang 117.45 ft (35.80 m). Tipe winglet Sharklet adalah tipe winglet yang memiliki perpanjangan dari sayap dan ditekuk kea rah atas sayap. Contoh pesawat yang menggunakan tipe winglet ini selain A320-200 adalah keluarga Boeing 737 NG.

Sebelum diproduksinya CFM56-5, terdapat mesin CFM56-2 dan CFM56-3. Kemudian karena berkembangnya ilmu teknologi dan sains, maka terciptalah tipe mesin yang dikembangkan dari mesin sebelumnya, yaitu CFM56-5A. Seri CFM56-5A menghasilkan gaya dorong antara 22.000 dan 26.500 lbf (98 kN dan 118 kN). Perbaikan aerodinamis pada kipas angin, kompresor bertekanan rendah dan kompresor bertekanan tinggi serta ruang bakar membuat varian ini 10-11% lebih hemat bahan bakar dibanding seri sebelumnya.

3.2  Komponen pada mesin CFM56-5A

Pada setiap mesin pada pesawat terbang pasti memiliki beberapa komponen yang mendukung cara kerja dalam memperoleh gaya dorong (thrust). Berikut beberapa contoh komponen yang terdapat pada pesawat terbang A320-200 yang menggunakan mesin CFM56-5A:

3.2.1  Kipas dan Pendorong (Fan and booster)

Kipas dan pendorong (fan and booster) dikendalikan oleh turbin tekanan rendah (low pressure turbine) dan berperan memberikan dua aliran udara terpisah. Aliran tersebut adalah aliran udara primer dan aliran udara sekunder. Aliran udara primer (udara yang masuk ke mesin) mengalir melalui bagian fan dan pendorong di mana udara dikompresi untuk dimasukkan kedalam kompresor tekanan tinggi (high pressure compressor), sedangkan aliran udara sekunder (udara yang mengalir di luar mesin inti) secara mekanis dikompresi oleh kipas ketika memasuki mesin dan disalurkan ke bagian luar mesin inti. aliran udara sekunder ini dapat menambah gaya dorong yang dihasilkan oleh mesin inti.

Kipas dan pendorong terdiri dari 1 (satu) tahap (stage) proses melewati kipas (fan), 3 (tiga) tahap aksial pendorong (booster), penyangga di belakang dari piringan kipas (fan disk). Kipas dan pendorong terdiri dari bagian-bagian utama sebagai berikut:

      Spinner rear and front cone.

      Piringan kipas (Fan disk).

      Pisau kipas (Fan blades).

      Baling-baling pendorong (Booster rotor).

      Rakitan baling-baling pendorong (Booster vane assemblies).

                    i.      Pemutar bagian depan hidung mesin (Spinner Front Cone)

Spinner Front Cone terbuat dari bahan komposit, karena komposit memiliki sifat kekuatan yang tinggi dan massa yang ringan. Desain tersebut bertujuan untuk menghindari terjadinya gangguan mesin akibat udara yang berwujud es (ice). Ketika aliran udara mengenai Spinner Front Cone, aliran udara akan terpecah partikelnya, sehingga meminimalisir udara berwujud es (padat) masuk ke dalam mesin.  Sistem ini juga biasa disebut  (anti-icing). Setelah udara melewat Spinner Front Cone, udara diteruskan ke Spinner Rear Cone.

                  ii.      Spinner Rear Cone (pemutar bagian belakang hidung mesin)

Spinner Rear Cone terbuat dari paduan aluminium (aluminium alloy), karena paduan aluminium memiliki kekuatan yang cukup tinggi dan merupakan penghantar panas yang cukup baik, sehingga dapat memindahkan energi panas dari kompresor ke udara yang melewati Spinner Rear Cone. Setelah aliran udara melewati Spinner Rear Cone, aliran udara tersebut akan diteruskan ke piringan kipas (fan disk).

                iii.      Piringan Kipas (Fan Disk)

Sebuah kipas piringan (fan disk) merupakan bagian dari mesin jet turbofan yang berisi bilah kipas. Hal ini dianggap sebagai salah satu komponen yang paling penting dari mesin dan memiliki empat fungsi utama:

      Bereaksi terhadap beban sentrifugal dari bilah kipas, baik selama operasi normal dan selama pisau kipas (off).

      Memberikan akses kepada tekanan rendah (Low Pressure) pada poros (shaft) untuk menggerakkan kipas dan untuk mempertahankan putaran bilah kipas (fan blades).

      Karena sifat kritis dari komponen ini, kegagalan piringan kipas (fan disk) dianggap berbahaya bagi pesawat, sehingga secara umum material yang digunakan untuk membuatnya adalah paduan titanium dengan metode pembuatan menggunakan penempaan tunggal.

                iv.      Pisau Kipas (Fan Blade)

Pada mesin turbofan terdapat sebuah kipas internal dengan sebuah turbojet kecil yang terpasang di belakangnya untuk menggerakkan kipas tersebut. Aliran udara yang masuk melalui turbojet, di mana sebagian kecil udara itu dibakar untuk menghidupi kipas, dan sisa udara digunakan untuk menghasilkan dorongan.

Ada 36 paduan titanium, bagian tengah dari kipas yang berperan sebagai poros diselimuti bilah kipas dengan panjang sekitar 23inch. (590 mm). Setiap bilah kipas memiliki ukuran yang sama antara satu sama lain sehingga dapat mengelilingi poros untuk berputar dan memproses udara yang masuk menjadi gaya dorong (thrust).

3.2.2  Kompresor Tekanan Tinggi (High Pressure Compressor)

Komponen utama dari kompresor adalah kompresor baling-baling (compressor rotor) dan kompresor stator (compressor stator). Bagian depan kompresor stator ditopang oleh kerangka kipas (fan frame) dan bagian depan  kompresor rotor ditopang oleh bantalan (bearing) pada kerangka kipas. Bagian belakang kompresor stator melekat pada sisi tempat pembakaran dan bagian belakang kompresor rotor melekat pada rotor turbin bertekanan tinggi (High Pressure Turbine) untuk membentuk inti rotor. Bagian belakang inti rotor ditopang oleh bantalan pada kerangka kipas, namun tidak sama dengan bantalan pada kompresor rotor di bagian depan.

Sebagian dari aliran udara ada yang dilepas keluar dari kipas (fan) dan ada yang melewati pendorong (booster) menuju kompresor. Kompresi adalah proses meningkatnya tekanan pada aliran udara utama saat bergerak melewati kompresor aksial. Mesin kompresor aliran aksial dapat didefinisikan memasukkan satu, dua, atau tiga gelendong (spool). Hal ini didefinisikan sebagai kelompok tahapan kompresor berputar pada kecepatan yang sama. Mesin CFM56-5A termasuk mesin yang memakai sistem dua gelendong (two-spool). Dua gelendong artinya dua rotor beroperasi secara independen antara satu sama lain. Aliran udara melewati tahap-tahap kompresor baling-baling (compressor rotor blades) dan kompresor baling-baling stator (compressor stator vanes) untuk meningkatkan tekanan sesuai dengan yang dibutuhkan tempat pembakaran (combustion chamber). Pada tahap ini terdapat 9 tahapan pisau (blades) yang harus dilalui aliran udara untuk meningkatkan tekanannya. Setelah melewati 9 tahapan pisau, udara telah dikompresi atau tekanannya sudah meningkat dari sebelumnya. Tempat masuk baling-baling (the inlet vanes) dan 3 tahap pertama dari stator adalah variabel yang berperan mengatur temperatur  pada kompresor inlet (compressor inlet) yang dipengaruhi kecepatan mesin. Tujuan dari variabilitas ini adalah untuk mengoptimalkan efisiensi dan meminimalisir kemungkinan stall.

Secara keseluruhan, kompresor terbagi menjadi dua, yaitu kompresor bertekanan rendah (low pressure compressor) dan tinggi (high pressure compressor). Sebelum dikompresi menjadi tekanan yang lebih tinggi, aliran udara terlebih dahulu harus dikompres dengan tekanan yang lebih rendah. Pada kompresor yang tekananannya lebih rendah memiliki ukuran pisau (blade) lebih besar, sedangkan kompresor yang tekanannya lebih tinggi memiliki ukuran pisau (blade) lebih kecil. Tujuan peningkatan tekanan adalah untuk meningkatkan efisiensi pembakaran, sebab pada saat pesawat udara beroperasi yaitu terbang di ketinggian (pada mesin turbofan ketinggian maksimum yang dapat dicapai sekitar 35000 ft) maka temperatur udaranya sangat rendah sehingga sangat sulit untuk dilakukan pembakaran.

3.2.3  Ruang pembakaran (Combustion Chamber)

Ruang pembakaran merupakan sebuah komponen atau daerah dari turbin gas, ramjet, atau mesin scramjet di mana pembakaran terjadi. Dalam mesin turbin gas, ruang bakar (combustor or combustion chamber) diumpankan suatu udara bertekanan tinggi oleh sistem kompresi. Ruang pembakaran kemudian memanaskan udara ini pada tekanan konstan. Setelah pemanasan, udara melewati ruang bakar melalui bantuan baling-baling nozzle menuju ke turbin.

Ruang pembakaran dibuat secara struktural terletak antara kompresor tekanan tinggi (high pressure compressor) dan turbin tekanan rendah (low pressure turbine). Hal ini memberikan antarmuka (interface) secara struktural, mentransmisikan beban mesin secara aksial, dan memberikan jalur aliran gas antara kompresor dan LPT. 

Cara kerja ruang pembakaran (combustion chamber) yaitu bahan bakar disemburkan oleh nosel yang terletak pada bagian depan ruang bakar. Biasanya dalam satu mesin (engine) hanya terdapat dua buah ignitor, karena itu tabung ignitor lintang (cross ignitor tube) dibutuhkan untuk membantu pembakaran pada jenis can dan can-annular. Setelah penyalaan, pembakaran akan menyebar di daerah ruang pembakaran primer di mana campuran bahan bakar dan udara secara sempurna dapat terbakar. Hanya sekitar sepertiga sampai setengah dari jumlah udara yang diperbolehkan masuk ke dalam pembakaran. Dari jumlah tersebut hanya sekitar seperempat yang digunakan dalam proses pembakaran. Gas hasil pembakaran bertemperatur sekitar 3500 F (1900 C). Sebelum memasuki turbin gas hasil pembakaran harus didinginkan sampai separuh dari temperatur tersebut. Pendinginan dilakukan oleh aliran udara yang masuk melalui lubang-lubang besar pada liner bagian belakang. Selain itu dinding dalam liner juga harus dilindungi dari temperatur tinggi. Untuk itu didinginkan dengan mengalirkan udara dingin pada beberapa tempat di sepanjang liner, sehingga membentuk selimut yang membatasi gas panas dengan dinding liner. Jadi, fungsi ruang pembakaran adalah tempat mencampur udara dan bahan bakar dan diberi percikan api oleh ignitor sehingga menghasilkan ekspansi gas panas yang akan diumpan ke turbin.

3.2.4  Turbin (Turbine)

Gas turbine engine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas.

Udara yang diterima turbin dari hasil pembakaran dialirkan melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran udara tersebut ke sudut-sudut turbin. Proses di dalam turbin akan menghasilkan daya yang berguna untuk memutar kompresor dan memberikan gaya dorong pada mesin. Setelah melewati turbin, udara tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).

Pesawat  terbang A320-200 menggunakan mesin CFM56-5A di mana memiliki sistem kerja turbin yang biasanya disebut turbin poros ganda (double shaft), turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah. Selain itu, turbin memiliki tempat yang disebut turbine section dan berfungsi untuk mengkonversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak kompresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60% digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan. Komponen-komponen pada turbine section adalah sebagai berikut:

·         Turbin Rotor Case

·         First Stage Nozzle, yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel.

·         First Stage Turbine Wheel, berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor.

·         Second Stage Nozzle dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi untuk memisahkan kedua turbin wheel.

·         Second Stage Turbine, berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar.

Jadi, ketika berada di dalam turbin, udara dari ruang pembakaran dalam bentuk ekspansi gas panas akan dikonversikan menjadi energy dorong. Selain itu, energy dorong yang dihasilkan ini mendorong turbin tekanan tinggi (high pressure turbine) yang terhubung langsung dengan kompresor tekanan tinggi (high pressure compressor) sehingga kompresor tekanan tinggi dapat berputar kembali. Energi dorong tersebut juga mendorong turbin tekanan rendah (low pressure turbine) yang terhubung langsung dengan kompresor tekanan rendah (low pressure compressor), dan sisanya merupakan gaya dorong untuk pesawat.

3.2.5  Exhaust

Exhaust adalah tempat pembuangan udara dari seluruh proses yang telah dialami dalam mesin. Exhaust menerima udara yang telah dikonversi menjadi energi oleh turbin. Energi inilah yang menjadi daya bagi mesin (engine) untuk menggerakkan pesawat. Gaya dorong yang dihasilkan oleh pembakaran sebenarnya hanya 15% - 25%. Gaya dorong pesawat yang terbesar justru pada kipas (blade) atau low pressure compressor sebesar 75% - 85% yang digerakkan oleh low pressure turbine.

3.3  Keselamatan dalam pengoperasian mesin

Keselamatan adalah hal yang paling penting dalam pengoperasian mesin, terutama pesawat terbang yang memiliki efek sangat besar karena menghasilkan gaya dorong (thrust) yang sangat kuat. Berikut keadaan dan jarak aman ketika mesin pesawat sedang hidup dalam beberapa keadaan:

3.3.1  Area berbahaya dari knalpot saat daya belum menggerakkan pesawat (idle power)

Saat tidak jalan, area bahaya hisapan dari mesin (inlet) dimulai sekitar 5 kaki atau 1.5 meter memanjang dari bibir inlet dan meluas ke jarak sekitar 15 kaki atau 4.6 meter ke depan. Daerah paling bahaya dari knalpot (exhaust nozzle) meluas ke belakang untuk jarak sekitar 250 kaki atau 76.2 meter dan menyebar secara horisontal sejauh 180 kaki atau 55 meter.

Ø  Jika kecepatan angin lebih dari 25 knot, jarak dari daerah berbahaya bertambah 20%.

Ø  Ketika mesin dimatikan, tunggu mesin beberapa detik hingga benar-benar berhenti operasi kerjanya sebelum mesin didekati.

3.3.2  Area berbahaya dari knalpot saat pesawat akan lepas landas (take off)

Saat pesawat akan lepas landas, area bahaya hisapan dari mesin (inlet) dimulai sekitar 6 kaki atau 1.8 meter memanjang dari bibir inlet dan meluas ke jarak sekitar 19.5 kaki atau 5.9 meter ke depan. Daerah paling bahaya knalpot (exhaust / nozzle) meluas ke belakang untuk jarak sekitar 900 kaki atau 275 meter dan menyebar secara horisontal sejauh 500 kaki atau 150 meter.

Pada daya tinggi, kipas, turbin dan knalpot (exhaust) dapat meniup kotoran kecil, seperti batu, pasir dan bahan yang tidak diinginkan lainnya pada ketinggian 300 kaki. Untuk mengoperasikan mesin dibutuhkan area yang cukup besar karena berlandaskan pada parameter bahaya dari efek kerja mesin yang memerlukan jarak aman (safety precaution).

4.     Kesimpulan

Setelah dilakukan rangkaian analisa data, maka dapat diperoleh beberapa kesimpulan yang dijabarkan sebagai berikut:

a)      Mesin CFM56-5A termasuk dalam mesin turbofan dengan high bypass ratio (rasio tinggi antara laju massa aliran udara panas yang terbakar pada mesin dengan laju aliran massa aliran udara dingin yang tidak terbakar di dalam mesin)

b)      Mesin CFM56-5A menggunakan aerospike yang runcing namun tidak terlalu panjang guna menurunkan kecepatan menjadi subsonic ketika terbang pada kecepatan transonic ketika udara mengenai inlet dan masuk ke mesin.

c)      Mesin CFM56-5A menggunakan kompresor aksial (compressor axial) yang berarti kompresor menekan udara searah atau sejajar dengan garis sumbu mesin atau ke-arah horisontal dengan blade dan menerapkan sistem three spool engine untuk menggerakkan kipas (fan), kompresor (compressor) dan turbin (turbine).