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 F- 16. 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 CFM56-5A 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.