BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI 2. 1 Pengertian APU Auxliliary Power Unit (APU) secara harfiah didefinisikan sebagai unit tenaga tambahan pada pesawat terbang yang dipakai untuk menghasilkan tenaga listrik dan tenaga udara (pneumatic) selama pesawat berada di udara maupun di darat. APU merupakan sebuah mesin gas turbin yang berukuran kompak yang terletak pada ekor pesawat terbang, seperti pada gambar 2.1 Gambar 2.1 lokasi APU pada pesawat terbang Ref: Boeing 737-800 maintenance handbook 6

Berbeda dengan mesin utama, APU tidak menghasilkan tenaga dorong (thrust) atau propulsi. Tenaga yang dihasilkan APU diserap turbin untuk memutar kompresor yang akan menghasilkan bleed air untuk pneumatic power, serta digunakan untuk menggerakan generator yang menghasilkan energi listrik untuk kelistrikan pesawat terbang. Bleed air (pneumatic power) yang dihasilkan APU kemudian digunakan untuk menggerakan starter mesin utama (main engine) dan untuk mensuplai pressurization and air conditioning kit (PACK) pada pesawat terbang. Gambar 2.2 Auxiliary Power Unit (APU) Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 2. 2 Spesifikasi dan Jenis-Jenis APU Spesifikasi dan jenis-jenis APU pada pesawat adalah sebagai berikut: 7

Boeing 707 : Boeing 727 : GTCP85 (-98CK) GTCP85 (-98D) Boeing 737 : GTCP85 (-129) Douglas DC 9 : GTCP 85 (98w) Kode Jenis APU mempunyai arti sesuai spesifikasinya. Misalnya jenis GTCP85-129 - GT : Gas Turbine - C : Compressor (bleed air output) - P : Power (shaft power output) - 85 : size class - 129 : boeing 737 classic Berikut ditampilkan gambar jenis-jenis APU seri 85 seperti gambar 2.3 Gambar 2.3 jenis-jenis APU Ref: Boeing 737 maintenance handbook 8

2. 3 Prinsip Kerja APU pada umumnya Bagian inti dari APU adalah sebuah Turbine Engine yang operasionalnya sama seperti Jet Engine, tetapi tidak menghasilkan gaya dorong (thrust). Kompressor dan turbin pada APU dipasang pada poros yang sama. Poros ini diputar pertama kali oleh starter menggunakan tenaga listrik (motor listrik), kemudian kompressor menghisap udara melewati air inlet lalu kompressor menaikkan tekanan udara tersebut. Udara bertekanan ini disalurkan menuju ruang bakar (combuster) dimana bahan bakar disemprotkan. Pembakaran pada ruang bakar menaikan level energi dari udara dan mengubah udara dan bahan bakar menjadi gas panas. Gas panas kemudian mengalir melewati turbine dimana diserap energi sebanyak mungkin menjadi energi putar untuk menggerakkan kompressor. Penjelasan seperti ditampilkan pada gambar 2.4 Gambar 2.4 prinsip kerja engine APU Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 9

Siklus kerja pada engine APU yang merupakan gas turbine engine sama seperti mesin piston 4 langkah. Akan tetapi pada gas turbine engine pembakaran terjadi pada tekanan yang konstan berbeda dengan engine piston dimana pembakaran terjadi volume yang konstan. Kedua siklus mesin (gambar 2.5) menunjukkan bahwa tiap langkah terdapat proses langkah hisap, langkah tekanan, langkah kerja, dan langkah buang. Proses pada mesin piston terjadi secara bertahap (intermittent combustion) di dalam ruang mesin dimana pada mesin gas turbin, terjadi secara terus meneus (continous combustion). Gambar 2.5 Perbandingan antara siklus kerja mesin gas turbin dan mesin piston Ref: The jet engine Rolls Royce 10

Jumlah bahan bakar yang dibakar dan panas yang keluar pada pembuangan (exhaust) adalah indikator dari kesehatan engine APU. Ketika komponen-komponen APU mengalami keausan ataupun kerusakan, kenaikan Exhaust Gas Temperature (EGT) dan peningkatan konsumsi bahan bakar dapat terjadi. Gambar 2.6 Diagram siklus kerja pada tekanan berbanding dengan volume udara Ref: The jet engine Rolls Royce 2. 4 Komponen utama engine APU Komponen utama engine APU terdiri dari: 1. Kompressor 2. Ruang bakar (combustion chamber) 3. Turbin 11

2.4.1 Kompressor Kompressor pada APU merupakan jenis kompressor sentrifugal satu tingkat (one stage centrifugal compressor) dengan satu muka impeller yang mempunyai kelebihan yaitu dapat dengan cepat menaikkan tekanan udara sebelum memasuki ruang bakar. Kelebihan lain dari kompressor sentrifugal yaitu pada ukuran dimensinya yang lebih kecil daripada kompressor aksial. Gambar 2.7 Kompressor sentrifugal impeller tunggal dan kompressor sentrifugal impeller ganda Ref: The jet engine Rolls Royce 12

2.4.2 Ruang bakar (combustion chamber) Ruang bakar mempunyai fungsi untuk membakar campuran udara dan bahan bakar yang dicampurkan dalam jumlah yang sesuai untuk menghasilkan gas panas yang akan diserap energi nya oleh turbin. Ruang bakar mempunyai kerja yang cukup berat karena harus menahan panas agar tidak meleleh dan menahan tekanan akibat pembakaran. Ruang bakar dilapisi keramik (ceramic coating) untuk menahan panas pada suhu 1800-2000 C. Gambar 2.8 Ruang bakar (combustion chamber) Ref: The jet engine Rolls Royce 13

2.4.3 Turbin Turbin berfungsi untuk menyerap energi panas yang dihasilkan oleh pembakaran pada ruang bakar dan mengubahnya menjadi energi gerak untuk memutarkan kompressor dan aksesori gearbox. Jenis turbin yang dipakai pada APU adalah jenis turbin aksial dengan susunan dua tingkat (two stage axial flow turbine). Gambar 2.9 Turbin susunan tiga tingkat Ref: The jet engine Rolls Royce 14

2. 5 Bagian-bagian dalam Engine APU Honeywell 131-9B Auxiliary Power Unit (APU) Honeywell 131-9B terdiri dari tiga bagian utama yaitu: 1. Power section 2. Load Compressor section dan 3. Accessory gearbox section. Gambar 2.10 bagian-bagian utama APU Honeywell 131-9B Sumber: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide Power section menggerakkan load compressor dan accesory gearbox. Bagian ini terdiri dari sebuah poros dengan single kompresor tipe sentrifugal impller dan dua tingkat turbin axial semua tedapat dalam structur yang tertutup. Terdapat juga 10 fuel nozzle dan combustor tipe reverse flow. 15

Load compressor terdiri dari sebuah kompresor tipe sentrifugal impeller dan diffuser. Udara yang masuk ke dalam load compressor dikendalikan oleh inlet guide vane (IGV). Power section dan load compressor impeller mendapatkan aliran udara yang berasal dari inlet yang sama. Accessory gearbox digerakkan oleh poros kecil pada kecepatan tinggi oleh putaran dari poros power section. Gear box ini terdiri dari beberapa roda gigi untuk menggerakan aksesori APU. Aksesori yang terpasang pada gearbox antara lain, generator, oil pump, fuel control unti, cooling fan, dan starter motor. Gearbox juga berperan sebagai penampung oli pada sistem pelumasan. Gambar 2.11 komponen APU Honeywell 131-9B Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 16

2. 6 Proses kerja APU Honeywell 131-9B APU Honeywell 131-9B dapat dioperasikan maksimum sampai ketinggian 41.000 feet (12.500 meter) diatas permukaan laut. Dan beroperasi maksimum sampai ketinggian 17.000 feet diatas permukaan laut untuk menghasilkan tenaga pneumatic. Berikut ini adalah urutan proses kerja APU Honeywell 131-9B: Pre Start: - Saklar Baterai harus pada posisi on sebelum mengoperasikan APU - Jika daya listrik tersedia, nyalakan fuel booster pump nomor 1 untuk memberikan tekanan bahan bakar menuju APU. Urutan APU Start: - Pindahkan saklar APU master switch ke posisi START dan lepaskan. Maka saklar akan bergerak ke posisi ON. Pada posisi ini sinyal operasi dikirim menuju ECU. - ECU menerima sinyal operasi dan membuka katup APU fuel shut off serta membuka APU inlet door. - Pada saat 0% speed, ECU menyalakan starter-generator dan ignition circuit, dan APU mulai berputar digerakkan oleh starter. - Pada saat 7% speed, katup fuel solenoid membuka, bahan bakar masuk ke ruang bakar - Pada saat 34% speed, lampu Low Oil Pressure di cockpit padam. 17

- Pada saat 60% speed, ignition unit mati. - Pada saat 70% speed, motor starter de-energize. - Pada saat 95% speed, APU dapat mensuplai electrical dan pneumatic power. - 100% speed adalah kecepatan penuh APU. - Jika melebihi 106% speed, maka proteksi overspeed shutdown, APU akan mati dengan sendirinya dikontrol oleh ECU. Grafik 2.1 Urutan proses kerja APU Honeywell 131-9B Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 18

2. 7 Sistem bahan bakar APU Honeywell 131-9B Fuel sistem atau sistem bahan bakar pada APU berfungsi untuk mengatur dan mengalirkan bahan bakar dari pompa bahan bakar sampai ke ruang bakar. Sistem ini sepenuhnya dikontrol secara otomatis oleh Electronic Control Unit (ECU). Operasi suplai bahan bakar pada APU diantaranya pada saat starting, on speed, fuel supply, dan shutdown. Komponen-komponen sistem bahan bakar APU Honeywell 131-9B adalah: - Fuel Control Unit (FCU) - Fuel Filters - Fuel Metering Assembly - Flow Divider Assembly and solenoid - Fuel manifolds & Fuel nozzels - Fuel shut off solenoid - IGV actuator pressure regulating valve 2.7.1 Fuel Control Unit Fuel Control Unit (FCU) mempunyai fungsi untuk mensuplai takaran bahan bakar yang sesuai menuju fuel flow divider sesuai dengan sinyal yang diterima oleh Electronic Control Unit (ECU). FCU terdiri dari: a. Pompa bahan bakar bertekanan tinggi b. Seals 19

c. Filter d. Fuel torque motor e. Flow meter f. Sensor temperatur g. Fuel shutoff solenoid Gambar 2.12 Fuel Control Unit Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 20

2.7.2 Fuel Filter Fuel filter mempunyai fungsi untuk menyaring serpihan komponen pompa bahan bakar akibat keausan yang wajar. Filter ini berupa lapisan metal screen yang terpasang pada keluaran pompa bahan bakar dan mempunyai kemampuan menyaring sampai 65 micron. Penggantian filter dilakukan setiap 3500 jam operasi APU atau 3 tahun, yang mana terlebih dahulu terlampaui. Gambar 2.13 Filter bahan bakar pada APU Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 21

2.7.3 Fuel Metering Assembly Fuel Metering Assembly mempunyai fungsi untuk menakar aliran bahan bakar menggunakan direct acting metering valve (torque motor). Besar kecil aliran bahan bakar bergantung pada arus yang diberikan ECU menuju torque motor. Peningkatan arus akan meningkatkan aliran bahan bakar dengan memperbesar luas area aliran bahan bakar. Kelebihan aliran bahan bakar akan di bypass kembali menuju pompa bahan bakar. Setelah melewati torque motor, takaran bahan bakar mengalir melewati integral flow meter untuk mengukur aliran bahan bakar yang keluar sebagai feed back jumlah aliran bahan bakar kepada ECU. Kemudian bahan bakar mengalir melewati fuel shutoff valve solenoid menuju fuel flow divider. Berikut adalah perbandingan antara arus pada torque motor dengan aliran bahan bakar: Milliampere Lbs/hr 0 0 20 16 35 18 50 50 100 140 150 235 200 330 250 425 Tabel 2.1 Perbandingan arus pada torque motor dengan aliran bahan bakar 22

Gambar 2.14 Fuel Metering Assembly Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 2.7.4 Fuel Flow Divider Assembly Fuel flow divider mempunyai fungsi untuk mengarahkan bahan bakar menuju primary dan secondary manifold. Fuel flow divider mengalirkan bahan bakar pada manifol primer selama APU start. Pada putaran 25-40 persen atau sekitar 120 psi, check valve di dalam fitting T membuka dan mensuplai fuel pada manifol sekunder. Fuel flow divider juga meningkatkan kemampuan starting APU pada kondisi cuaca yang dingin. 23

Gambar 2.15 Fuel flow divider Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 2.7.5 Fuel Manifold dan Fuel Nozzle Terdapat dua manifold (primer dan sekunder) yang terdiri dari 10 dualorifice atomizer (nozzle) dengan berjarak sama yang terpasang pada ruang bakar. Fuel nozzle berfungsi untuk menyemprotkan takaran aliran bahan bakar ke dalam ruang bakar. Bahan bakar untuk pengapian dan putaran awal disuplai oleh bagian primer dari atomizer. Terdapat fuel inlet screen untuk mencegah kontaminan masuk kedalam ujung penyemprot. Inlet screen tersebut dapat dilepas untuk dibersihkan atau diganti. 24

Gambar 2.16 Primary dan Secondary Manifold Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide Gambar 2.17 Fuel Nozzle 25

2.7.6 Fuel Shutoff Solenoid Fuel Shutoff Solenoid adalah katup tiga saluran, normalnya tertutup, dengan dua posisi poppet valve. Merupakan bagian terpadu pada FCU yang terdapat didalam FCU dan tidak dapat dilepas terpisah. Fuel shutoff solenoid digerakan oleh ECU berfungsi untuk mengarahkan takaran bahan bakar menuju fuel flow divider. Ketika solenoid de-energized maka katup menutup dan operasi APU berhenti. Katup ini mulai membuka pada saat putaran mencapai 7 persen, jika katup membocorkan bahan bakar sebelum putaran mencapai 7 persen maka akan terjadi semburan api pada exhaust. Gambar 2.18 Fuel Shutoff Solenoid Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 26

2.7.7 IGV Actuator Pressure Regulating Valve Merupakan bagian integral dari FCU yang berfungsi untuk mensuplai tekanan bahan bakar sebagai tekanan hidrolik yang digunakan untuk menggerakan Inlet Guide Vane Assembly dan Surge control valve. Katup ini mempertahankan tekanan bahan bakar menuju IGV sebesar 250 25 psig. Jika tekanan kurang atau melebihi tekanan tersebut maka akan terjadi kegagalan fungsi pada IGV actuator mengakibatkan actuator tidak bekerja sesuai programnya. Gambar 2.19 IGV pressure regulator valve Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide 27

2.7.8 Cara kerja aliran bahan bakar pada APU Honeywell 131-9B Gambar 2.20 Aliran sistem bahan bakar APU Honeywell 131-9B Ref: Honeywell 131-9B Line Maintenance Study guide Berikut adalah urutan aliran bahan bakar pada sistem bahan bakar APU Honeywell 131-9B: 28

MULAI APU Fuel Shut Off Valve Inlet filter (fuel filter) High Pressure Fuel Pump Differential press regulator regulated pressure Torque Motor Metering Module input Flow Meter feedback Electronic Control Unit (ECU) 3 way shutoff solenoid Flow divider Fuel Atomizer SELESAI Gambar 2.21 Diagram alir (flow chart) urutan aliran sistem bahan bakar APU 29

Penjelasan diagram alir (flow chart) diatas adalah sebagai berikut: - Ketika APU start maka fuel shut off valve membuka dan bahan bakar mengalir dari tank menuju FCU (Fuel Control Unit). - Fuel mengalir melewati inlet filter pada FCU kemudian disalurkan pada high pressure pump dan actuator pressure regulator, fuel ini sebagian digunakan untuk menggerakan actuator IGV dan surge control valve. - Setelah melewati pompa fuel dikirim menuju differential pressure regulator dan torque motor. Sinyal torque motor dikontrol oleh arus dari ECU. Aliran bahan bakar disesuaikan dengan bukaan metering valve. Dan aliran ini dirasakan oleh flow meter sebagai feed back pada ECU. - Fuel yang melewati flow meter, yang sudah sesuai takaran untuk mengoperasikan APU kemudian mengalir menuju 3 way fuel shutoff valve. Ketika APU berputar sebesar 7 persen maka shutoff valve membuka lanjut mengalir menuju fuel flow divider, dan ketika ECU menerima dinyal OFF maka fuel shutoff valve menutup dan APU kemudian mati. - Fuel flow divider mendistribusikan fuel antara dua manifol baik primer maupun sekunder. Aliran primer adalah untuk starting APU dan aliran sekunder digunakan pada saat akselerasi dan kondisi on-speed. Bukaan fuel flow divider dikontrol oleh ECU. - Terdapat 10 nozzle yang akan menyemprotkan aliran fuel pada ruang bakar untuk operasi APU. 30

2. 8 Perbandingan APU dengan Engine diesel power generator Pembangkit tenaga menggunakan gas turbine engine mempunyai beberapa kelebihan diantaranya adalah ukuran dimensi dan berat yang sangat ringkas juga pada kemampuan menghasilkan tenaga yang cukup besar (PK Nag, 2002:763). Oleh karena itu Auxiliary Power Unit yang juga merupakan gas turbine engine digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik untuk mensuplai kelistrikan pada pesawat terbang. Engine APU merupakan gas turbine engine susunan siklus terbuka (open cycle) dimana udara yang keluar dari engine tidak dialirkan kembali ke dalam engine tetapi dilepaskan ke atmosfer (gambar 2.13). Siklus udara yang berlaku pada engine APU adalah siklus Brayton. Siklus Brayton adalah siklus udara secara teori untuk gas turbin engine. Siklus ini terdiri dari dua proses adiabatik dan dua proses tekanan konstan. Gambar menunjukan siklus Brayton pada koordinat p-v dan T-s. Gambar 2.22 Siklus Brayton Ref: Internal Combustion Engine McGraw Hill publishing co. ltd 31

Bila kita bandingkan dengan Engine diesel power generator terdapat beberapa perbedaan serta kelebihan dan kekurangan antara engine APU dengan engine diesel power generator. Berikut beberapa kelebihan dan kekurangan dari engine APU: Kelebihan: - Warm up time. Waktu pemanasan engine yang singkat, setelah engine hidup mencapai kecepatannya maka engine siap diberi beban tanpa memerlukan waktu pemanasan. - Low weight and size. Berat dan dimensi engine yang kecil dibandingkan output yang dihasilkan. - Cooling system. Sistem pendinginan tidak membutuhkan air sebagai media pendingin. - Cost of installation. Biaya pemasangan yang rendah karena mesin sudah sepenuhnya dirakit sejak dari pabrik pembuat. Kekurangan: - Efisiensi mesin tergantung pada tekanan dan suhu disekitar mesin (ambient condition). - Membutuhkan filter berkualitas tinggi untuk menyaring debu yang akan merusak sudu turbin. - Suara yang dihasilkan sangat bising. 32

Contoh engine diesel power generator yang setara dengan APU adalah engine diesel 4 silinder water cooled power generator tipe HIDIER Cummins berdaya output 90kva. Perbandingan tersebut adalah sebagai berikut: Spesifikasi APU Honeywell 131-9B Diesel generator HIDIER cummins Engine Gas turbine engine Diesel 4 silinder turbo charge Dimensi 1440 x 870 x 750 mm 2200 x 860 x 1460 mm Berat 390lbs (177kg) 1350 kg Output 90 KVA 3phase 400Hz 90KW 1 phase 50 Hz Fuel Avtur Jet A-1 Solar Max operation 41.000 feet dpl 162 jam stanby Fuel consumption 230 pound per hour 25 liter/jam Exhaust gas temperature 1000 C max 439/461 C max Noise Very noisy Silent Rpm max 48.800 rpm 1500 rpm Bleed air / pneumatic Yes 160 ppm at 60 psi no Tabel 2.2 Perbandingan spesifikasi APU dan engine diesel generator Ref: Boeing 737-800 Training Manual & powerplant engineering book 33

Gambar 2.23 Engine diesel generator HIDIER cummins 90KW Ref: Powerplant Engineering McGraw Hill publishing co. ltd 2. 9 Spesifikasi bahan bakar Avtur Jet-A1 Avtur (aviation turbine fuel) adalah salah satu jenis bahan bakar berbasis minyak bumi yang berwarna bening hingga kekuning-kuningan, memiliki rentang titik didih antara 145C hingga 300C, dan digunakan sebagai bakar pesawat terbang. Secara umum, avtur memiliki kualitas yang lebih tinggi dibandingkan bahan bakar yang digunakan untuk pemakaian yang kurang genting seperti pemanasan atau transportasi darat. Avtur biasanya mengandung zat aditif tertentu untuk mengurangi resiko terjadinya pembekuan atau ledakan akibat temperatur tinggi serta sifat-sifat lainnya. 34

Gambar 2.24 Proses penyulingan minyak bumi Ref: Bahan bakar dan pelumas: Pradnya paramita Avtur memiliki sifat yang menyerupai kerosin karena memiliki rentang panjang rantai hydrocarbon yang sama. Komponen-komponen kerosin dan avtur terutama adalah senyawa-senyawa hidrokarbon parafinik (CnH2n+2) dan monoolefinik (CnH2n) atau naftenik (sikloalkan, CnH2n) dalam rentang C10 C15. Sifat ini dipilih karena memiliki beberapa keunggulan dibandingkan bahan bakar jenis lain. Contohnya adalah volatilitas; dibandingkan dengan bensin, avtur memiliki volatilitas yang lebih kecil sehingga mengurangi kemungkinan kehilangan bahan bakar dalam jumlah besar akibat penguapan pada ketinggian penerbangan. 35

Hal lain yang menguntungkan dari avtur adalah kandungan energi per volumnya lebih tinggi dibandingkan dengan bensin sehingga mampu memberikan energi bagi pesawat untuk penerbangan jarak yang lebih jauh. Dibawah ini adalah tabel perbandingan karakteristikantara Jet A dan Jet A-1 Jet A-1 Jet A Flash point 38 C (100 F) Autoignition temperature 210 C (410 F) Freezing point -47 C (-53 F) -40 C (-40F) Open air burning temperatures 260 315 C (500-599 F) Density at 15 C (56F) 0.804 kg/l 0.820 kg/l Specific energy 43.15 MJ/kg 43.02 MJ/kg Energy density 34.7 MJ/L 35.3 MJ/L Tabel 2.3 Sifat-sifat bahan bakar avtur Jet A-1 dan Jet A Ref: Material Safety Data Sheet Pertamina Aviation Tabel 2.3 menampilkan spesifikasi persyaratan mutu jenis-jenis avtur tersebut menurut standar ASTM. Jet A1 adalah jenis avtur yang paling sering digunakan untuk bahan bakar pesawat di seluruh dunia karena memenuhi standar ASTM, standar spesifikasi Inggris DEF STAN 91-91, dan NATO Code F-35. Jet A adalah bahan bakar pesawat yang memiliki sifat yang sangat mirip dengan kerosin, diproduksi hanya untuk memenuhi standar ASTM sehingga 36

umumnya hanya dapat ditemukan di kawasan Amerika Serikat. Jet B jarang digunakan karena sulit untuk ditangani (mudah meledak), dan hanya digunakan pada daerah beriklim sangat dingin. Bahan atau produk Jenis pengujian Spesifikasi metode Avtur Free water and particulate contamination ASTM D4176-04 (apperarance) Acidity ASTM D3242-01 Colour ASTM D156-02 Particulate contamination ASTM D5452-00 Type hydrocarbon ASTM D1319-03 Sulfur 10% ASTM D1266-03 Mercaptan sulfur ASTM D3227-04a Freezing point -47 C ASTM D2386-03 Flash point IP 170-99 Smoke point ASTM D 445-04 Tabel 2.4 standart pengujian material Avtur JET-A1 Ref: UK Defence Standarization of material 37