1. Engine Operation

Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh
Hai teman-teman penerbangan, pada halaman ini saya akan berbagi pengetahuan mengenai
engine atau mesin yang digunakan pada pesawat terbang, yaitu CFM56 – 5A.
Kita awali dahulu dengan sejarah berdirinya perusahaan mesin pesawat terbang yang
dinamakan CFM56. Awalnya, perusahaan yang dinamakan “General Electric” telah banyak
memproduksi engine komersial seperti CF6 – 80 series yang memakai sistem engine turbofan.
Keberhasilan engine turbofan CF6 komersial ini tidak terlepas dari kontribusi GE sebagai
produsen utama engine pesawat jet komersial. Mesin turbofan CFM56 adalah produk dari CFMI
(Commercial Fan Motor Internasional). CFM International adalah perusahaan yang berdiri pada
tahun 1974 dan dimiliki bersama oleh "General Electric" dari Amerika Serikat dan "Societe
Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d'Aviation" dari Perancis. Kedua perusahaan
tersebut bertanggung jawab untuk memproduksi komponen dan memiliki jalur perakitan akhir
sendiri. GE memproduksi kompresor bertekanan tinggi atau high pressure compressor, ruang
bakar atau combustion chamber, dan turbin tekanan tinggi high pressure turbine. Snecma
memproduksi kipas atau fan, gearbox, knalpot atau exhaust dan turbin bertekanan rendah low
pressure turbine, serta beberapa komponen yang dibuat oleh Avio dari Italia. Kedua
perusahaan tersebut sama-sama merakit mesin CFM56, GE merakit di Evandale, Ohio,
sedangkan SNECMA merakit di Villaroche, Prancis. Setelah selesai, mesin dipasarkan oleh
CFMI. Nama CFM56 itu sendiri diperoleh dari kombinasi nama dua engine, yaitu GE CF6 dan
SNECMA’s M56.
Figure 1. Perusahaan yang menaungi CFMI
Sebelum masuk ke dalam inti dari pembahasan, adakalanya kita mengenal mesin
turbofan yang diterapkan pada engine CFM56 – 5A. Mesin turbofan adalah mesin turbojet,
komponennya sama dengan mesin turbojet tetapi yang membedakan adalah pada mesin
turbofan ditambahkan fan di bagian inlet-nya. Kelebihan mesin jenis ini adalah ke-efisiensian
dari segi tenaga yang dihasilkan. Hal tersebut dapat terjadi karena thrust atau gaya dorong
yang dihasilkan bukan hanya dari pembakaran tetapi juga dari udara bypass yang tidak masuk
ke dalam sistem pembakaran atau dapat disebut cold thrust. Pesawat yang memakai mesin ini
rata-rata adalah pesawat penumpang seperti Boeing 737, 747, A-320, dan masih banyak lagi.
Untuk pesawat tempur, mesin ini diterapkan pada pesawat Sukhoi Su-27, F-22 Raptor, dan F16. Akan tetapi, mesin turbofan pada pesawat tempur memiliki bypass ratio yang lebih kecil
daripada engine turbofan yang digunakan untuk pesawat penumpang. Adapun pabrik di mana
tempat diproduksinya mesin-mesin tersebut, diantaranya Roll Royce, General Electric, Lyulka
Saturn, dan CFM.
Setelah mengenal sejarah berdirinya perusahaan CFM56 dan pengertian dari mesin turbofan,
mari kita masuk ke dalam pembahasan mengenai engine operation atau pengoperasian mesin,
engine fuel system atau sistem bahan bakar pada mesin, engine control atau kendali mesin,
dan engine APU (Auxiliary Power Unit) atau mesin penambah daya.
Yuk, langsung aja masuk ke pembahasan pertama, yaitu:
1.
Engine Operation
Saat engine beroperasi, udara yang masuk ke dalam engine melewati beberapa proses
yang didukung dengan adanya komponen-komponen. Berikut adalah beberapa komponen
yang terdapat pada engine CFM56 – 5A yang memakai sistem turbofan:
Figure 2. CFM56-5A
1.1
Spinner (Aerospike atau spike)
Spinner adalah bagian dari inlet mesin pesawat yang runcing ke depan. Spinner dibuat
bukan tanpa alasan dan tujuan, melainkan berfungsi sebagai pengubah kecepatan udara
saat terbang dengan kecepatan transonik (0.8 – 1.2 Mach). Hal ini dilakukan karena syarat
pembakaran di dalam combustion chamber atau ruang pembakaran harus bergerak dengan
kecepatan subsonik. Jika pesawat bergerak dengan kecepatan di atas 1 Mach, dibutuhkan
suatu alat yang berfungsi menurunkan kecepatan udara menjadi subsonik ketika masuk ke
dalam engine yang nantinya akan diubah menjadi energi mekanik sehingga dapat
menghasilkan gaya dorong atau thrust. Selain untuk menurunkan kecepatan udara yang
akan masuk ke dalam engine, spinner juga berfungsi untuk memecah partikel udara,
sehingga meminimalisir udara yang berwujud es masuk ke dalam engine. Sistem tersebut
dalam dunia penerbangan biasa disebut anti-icing.
Figure 3. Spinner, Fan, and Booster
1.2
Fan dan Low Pressure Compressor (Booster)
Fan dan booster adalah suatu komponen yang dikendalikan oleh turbin tekanan
rendah atau low pressure turbine dan berperan memberikan dua aliran udara terpisah, yaitu
aliran primer dan sekunder. Aliran udara primer adalah aliran udara yang mengalir melalui
bagian fan dan booster kemudian masuk ke dalam engine di mana udara akan dikompresi
untuk dimasukkan ke dalam kompresor tekanan tinggi atau high pressure compressor,
sedangkan aliran udara sekunder adalah aliran udara yang secara mekanis dikompresi oleh
fan ketika memasuki engine dan disalurkan ke bagian luar mesin inti. Pada engine CFM565A ini terdapat 1 stage fan dan 3 stage booster. Stage adalah sebutan untuk jumlah
susunan blade kompresor aksial. Kompresor aksial disusun semakin ke belakang semakin
kecil dengan diameter duct yang juga semakin kecil. Hal ini bertujuan untuk meningkatkan
tekanan udara karena pengecilan diameter mesin. Secara persentase, distribusi gaya
dorong atau thrust yang dihasilkan dari aliran udara sekunder lebih besar dibandingkan
aliran udara primer, yaitu 75 – 85 %. Pada mesin CFM56-5A ini, memiliki by-pass ratio 6 : 1.
1.3
High Pressure Compressor
Kompresor adalah alat mekanik yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan fluida,
yaitu gas atau udara. Pada engine pesawat terbang, kompresor digunakan untuk
meningkatkan tekanan udara yang akan dibakar di dalam combustion chamber. 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 35.000 ft) maka temperatur udaranya sangat rendah
sehingga sangat sulit untuk dilakukan pembakaran. Pada engine CFM56-5A ini
menggunakan kompresor dengan tipe aksial, yang berarti kompresor tersebut menekan
udara searah atau sejajar dengan garis sumbu mesin atau kearah horizontal menggunakan
blade. Keuntungan kompresor dengan tipe aksial adalah massa dari blade cukup ringan dan
massa udara yang dikompresi sangat besar. Akan tetapi, kelemahan pada kompresor ini
adalah jika blade lepas, maka mesin bisa meledak dan jika blade yang terlepas tersedot ke
belakang, maka akan merusak komponen lain di belakangnya. Pada engine CFM56-5A ini
menggunakan kompresor bertekanan tinggi atau high pressure compressor dengan 9 stage.
Selain itu, engine ini menggunakan sistem two-spool, yang berarti dua rotor beroperasi
secara independen antara satu sama lain atau dapat dikatakan penghubung antara low
pressure compressor dengan low pressure turbine serta high pressure compressor dengan
high pressure turbine. Spool adalah ukuran untuk menyebut jenis susunan kompresor dan
turbin.
Figure 4. High Pressure Compressor
1.4
Combustion Chamber
Combustion chamber atau ruang pembakaran merupakan sebuah komponen dari
turbin gas di mana pembakaran terjadi. Dalam mesin turbin, ruang bakar atau combustion
chamber diumpankan suatu udara bertekanan tinggi oleh sistem kompresi atau kompresor.
Combustion chamber kemudian memanaskan udara pada tekanan konstan. Setelah
pemanasan, udara melewati ruang bakar melalui bantuan baling-baling nozzle menuju ke
turbin. Ruang pembakaran dibuat secara struktural terletak diantara kompresor tekanan
tinggi atau high pressure compressor dan turbin tekanan rendah atau low pressure turbine.
Hal ini bertujuan untuk memberikan interface secara struktural dan mentransmisikan beban
mesin secara aksial, dan memberikan jalur aliran gas antara kompresor dan low pressure
turbine.
Cara kerja combustion chamber, yaitu udara yang masuk akan diberi ignition sampai
suhu atau temperaturnya tinggi dan barulah disemprot oleh fuel. Biasanya dalam satu
engine hanya terdapat dua buah ignitor yang bertujuan untuk membantu pembakaran pada
jenis can dan can-annular. Pada engine CFM56-5A ini memiliki 20 fuel nozzles dan 2 ignitor
plugs. Setelah proses ignition, pembakaran akan menyebar di daerah ruang pembakaran di
mana campuran bahan bakar dan udara secara sempurna dapat terbakar. Hanya sekitar
sepertiga sampai setengah dari jumlah udara yang diperbolehkan masuk ke dalam ruang
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. Jadi, fungsi ruang pembakaran adalah tempat mencampur udara dan bahan bakar
dengan diberi percikan api oleh ignitor sehingga menghasilkan ekspansi gas panas yang
akan diumpan ke turbin.
Figure 5. Combustion Case and High Pressure Turbine
1.5
Turbine
Gas turbine engine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk
memutar turbin dengan pembakaran internal. Di dalam gas turbine engine, energi kinetik
dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin
sehingga menghasilkan daya. Sistem gas turbine yang paling sederhana terdiri dari tiga
komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas. Pada engine CFM56-5A ini
menggunakan 1 stage high pressure turbine dan 4 stage low pressure turbine. Pada low
pressure turbine, disusun semakin ke belakang semakin besar dengan diameter duct yang
juga semakin besar. Hal ini bertujuan untuk mengurangi tekanan udara setelah melewati
combustion chamber dan high pressure turbine diameter engine.
Udara yang diterima turbin dari hasil pembakaran dialirkan melalui suatu nozzle 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 atau exhaust. Pesawat terbang A320-200 menggunakan mesin
CFM56-5A di mana memiliki sistem kerja turbin yang biasanya disebut turbin poros ganda
atau double shaft. Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari high dan low
pressure turbine. Selain itu, turbin memiliki bagian yang disebut turbine section yang
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, dan sisanya digunakan
untuk kerja yang dibutuhkan.
Jadi, ketika berada di dalam turbin, udara dari ruang pembakaran dalam bentuk
ekspansi gas panas akan dikonversikan menjadi energi dorong. Selain itu, energi dorong
yang dihasilkan ini akan memutar turbin bertekanan tinggi atau high pressure turbine yang
terhubung langsung dengan kompresor tekanan tinggi atau high pressure compressor
sehingga kompresor bertekanan tinggi tersebut dapat berputar. Energi dorong tersebut juga
menggerakkan turbin bertekanan rendah atau low pressure turbine yang terhubung
langsung dengan kompresor tekanan rendah atau low pressure compressor, dan sisanya
merupakan gaya dorong untuk pesawat.
Figure 6. Low Pressure Turbine
1.6
Exhaust
Exhaust adalah tempat pembuangan udara dari seluruh proses yang telah dialami di
dalam engine. Exhaust menerima udara yang telah dikonversi menjadi energi mekanik oleh
turbin. Energi inilah yang menjadi daya bagi engine untuk menggerakkan pesawat. Gaya
dorong yang dihasilkan oleh pembakaran sebenarnya hanya 15% - 25%. Gaya dorong
pesawat yang terbesar justru pada fan atau low pressure compressor, yaitu sebesar 75% 85%. Pada engine, terdapat beberapa hazard area atau area berbahaya dari engine
tersebut dapat menimbulkan hal-hal yang tidak diinginkan, seperti terhisap, terdorong
bahkan tersengat arus listrik yang dikarenakan beroperasinya engine. Keselamatan adalah
hal yang paling penting dalam pengoperasian mesin, terutama pesawat terbang yang
memiliki efek sangat besar karena menghasilkan gaya dorong atau thrust yang sangat kuat.
Berikut keadaan dan jarak aman ketika mesin pesawat sedang hidup dalam beberapa
keadaan:
1.6.1
Area berbahaya dari knalpot saat daya belum menggerakkan pesawat (idle
power)
Saat tidak sedang berjalan, hazard area hisapan dari inlet dimulai sekitar 5 kaki
atau 1.5 meter memanjang dari bagian bibir dan meluas ke jarak sekitar 15 kaki atau 4.6
meter ke depan. Daerah paling bahaya dari knalpot atau exhaust nozzle meluas ke
belakang untuk jarak sekitar 250 kaki atau 76.2 meter dan menyebar secara horisontal
sejauh 180 kaki atau 55 meter.
Figure 7. Idle Power Positions
1.6.2
Area berbahaya dari knalpot saat pesawat akan lepas landas (take off)
Saat pesawat akan lepas landas, hazard area atau area bahaya hisapan inlet
dimulai sekitar 5.2 kaki atau 1.6 meter memanjang dari bibir inlet dan meluas ke jarak
sekitar 32.8 kaki atau 10 meter ke depan. Daerah paling dari bahaya dari knalpot /
nozzle) meluas ke belakang untuk jarak sekitar 900 kaki atau 275 meter dan menyebar
secara horisontal sejauh 724 kaki atau 220.7 meter.
Setelah menjelaskan setiap komponen dari engine CFM56-5A, dapat kita simpulkan
bahwa udara yang masuk ke dalam engine awalnya akan bertemu spinner sebagaimana
fungsinya untuk mengurangi kecepatan udara menjadi subsonik (0.3 - 0.8 Mach) ketika
pesawat memiliki kecepatan transonik. Setelah melewati spinner, udara akan melewati 1
stage fan dan 3 stage booster low pressure compressor yang berfungsi mengarahkan atau
membagi dan mendorong udara sehingga menghasilkan dua aliran terpisah, yaitu aliran
udara primer (masuk ke dalam engine inti) dan sekunder (masuk ke luar engine inti).
Kemudian, udara primer akan mengalami proses kompresi yang didukung oleh komponen
kompresor untuk meningkatkan tekanan udara. Pada proses ini, udara akan melewati 9 stage
high pressure compressor. Setelah udara mengalami peningkatan tekanan, akan masuk ke
dalam combustion chamber untuk proses pembakaran yang akan menghasilkan ekspansi
panas. Di dalam combustion chamber, awalnya udara akan diberi ignition untuk meningkatkan
suhu atau temperatur dengan tujuan mempermudah proses pembakaran sehingga
meningkatkan efesiensi bahan bakar. Setelah memiliki suhu tinggi, kemudian udara
disemprotkan dengan fuel sehingga menghasilkan ekspansi gas panas. After that, udara
diumpan menuju turbin untuk mengubah udara dalam bentuk ekspansi gas panas menjadi
energi dorong dan menggerakkan kompresor yang terhubung dengan turbin melalui shaft. Di
dalam turbin, terjadi 1 stage high pressure turbine dan 4 stage low pressure turbine. Setelah
menjadi energi dorong, udara akan diumpan menuju exhaust yang berperan sebagai area
pembuangan udara untuk diaplikasikan sebagai gaya dorong atau thrust dari pesawat
terbang.