Mempersiapkan Mesin Turbofan Untuk Pesawat Komersial Masa Depan (Bagian 2): Konfigurasi Mesin

     Seperti telah dibahas pada tulisan bagian pertama sebelumnya, mesin turbofan masih menjadi trend untuk pesawat terbang penumpang masa depan karena termasuk jenis yang hemat bahan bakar, tidak terlampau bising dan rendah polusi gas buang daripada mesin jet murni tanpa fan. Namun dengan semakin ketatnya regulasi/aturan dalam dunia penerbangan, maka mesin pesawat masa depan juga harus semakin ditingkatkan kinerjanya agar semakin hemat dan dapat semakin ditekan tingkat polusi gas buangnya pada tingkat yang serendah mungkin sesuai dengan aturan yang berlaku.

    Salah satu cara meningkatkan efisiensi mesin turbofan adalah dengan meningkatkan efisiensi propulsi, yaitu dengan menaikkan bypass ratio. Cara ini lebih mudah dicapai daripada melalui peningkatan efisiensi thermal mesin inti (membutuhkan proses yang lebih rumit karena keterbatasan material). Secara teori semakin besar bypass ratio maka akan semakin meningkat juga effisiensi propulsi mesin turbofan. Namun pada keadaan aktualnya hal ini akan dibatasi oleh hambatan aerodinamis akibat perubahan struktur mesin turbofan tersebut yang menyebabkan penambahan berat dan dimensi struktur pesawat secara total.

    Saat ini beberapa produsen mesin pesawat besar dunia mengajukan berbagai proposal mesin turbofan masa depan, bahkan beberapa dari mereka menghilangkan selubung/selongsong fan dan mesin ini dikenal luas sebagai mesin open rotor atau propfan. Mesin propfan ini merupakan kombinasi dari mesin turbo-prop dan turbofan, contohnya: Mesin 578DX dari Allison dan Pratt & whitney; Mesin GE36 dari General Electric dan mesin SV-27 dari Aerosila. Mesin Open rotor dapat menghasilkan bypass ratio yang extra besar, sampai lebih dari 40:1, bandingkan dengan mesin turbofan masa kini yang memiliki bypass ratio hanya sampai sekitar kisaran 12:1. Namun mesin open rotor masih menghadapi banyak kendala, terutama masalah kebisingan yang terlampau besar dan keamanan dari bilah rotor tanpa pelindung dengan tip radius yang extra besar bila rotor terlepas akan sangat membahayakan mahluk hidup disekitarnya. Selain itu kecepatan jelajah pesawat terbang pun akan sedikit lebih rendah daripada bila menggunakan mesin turbofan.

    [caption caption="Mesin open rotor/propfan"][/caption]  

 

       Dewasa ini ada 3 produsen mesin pesawat terbang terbesar dunia. Yaitu: General Electric (USA), Rolls Royce (Inggris) dan Pratt & Whitney (USA), masing masing mengajukan proposal mesin turbofan yang berbeda-beda disesuaikan dengan karakteristik mesin yang sedang mereka produksi. General Electric mengajukan prosposal yang lebih sederhana, yaitu mesin turbofan dengan 2 rotor kosentris. Rolls Royce mengajukan proposal mesin turbofan yang lebih rumit dengan 3 rotor kosentris yang merupakan trademark mereka sejak awal. Sedangkan Pratt & Whitney dengan pengalaman yang cukup lama dalam memproduksi mesin turboprop dengan gigi reduksi akhirnya mengkonversi system yang sama ke mesin turbofan dengan gigi reduksi untuk menghasilkan mesin turbofan dengan bypass ratio extra besar.

[caption caption="Model mesin turbofan 3 rotor kosentris dari Rolls Royce"]

[/caption]

 

[caption caption="Mesin turbofan 2 rotor GP7000 dari hasil kerjasama General Electric dan Pratt & Whitney"]

[/caption]

 

[caption caption="Mesin geared turbofan Pratt & Whitney"]

[/caption]

[caption caption="Model mesin geared turbofan Pratt & Whitney dengan skala 1:4"]

[/caption]

[caption caption="Mesin geared turbofan Pratt & Whitney dalam pengetesan"]

[/caption]

 

  Sebelum masuk ke pembahasan lebih lanjut, harus dipahami dulu karakter dari masing-masing komponen mesin turbofan ini:

1. Fan merupakan kipas dengan tip diameter yang extra besar diaplikasikan untuk menghasilkan kapasitas aliran massa udara yang extra besar juga. Fan ini cenderung untuk berputar lebih lambat daripada turbin;
2. Turbin tekanan rendah yang biasanya digunakan untuk menggerakan fan. Turbin ini memiliki tip diameter yang lebih kecil daripada fan dan biasanya berputar lebih cepat.

   Dari kedua komponen utama ini maka terjadi kontradiksi, di satu sisi turbin tekanan rendah diharuskan berputar lebih cepat dan di sisi lain fan harus berputar lebih lambat, sedangkan kedua komponen ini terhubung langsung secara mekanis. Untuk memungkinan mesin turbofan dapat bekerja baik maka diambil kompromi jalan tengah, yaitu dengan memperbesar tip diameter turbin tekanan rendah dan mempercepat putaran fan. Kondisi ini akan menyebabkan efek negative, yaitu bobot mesin akan semakin meningkat (akibat tip diameter turbin yang besar) dan kebisingan yang berlebihan dari fan. Untuk menghasilkan fan yang mampu bekerja pada tip kecepatan supersonic, maka dipakai material khusus dari composite untuk menahan beban centrifugal dari tiap bilah fan yang bisa mencapai sekitar 80 ton saat pesawat take-off.

   Cara di atas masih banyak dipakai oleh produsen mesin pesawat terbang sampai saat ini, Pratt & Whittney (sebelum era mesin turbofan dengan reduction gear) dan General Electric masih memakai cara yang sama, yaitu mesin turbofan 2 rotor kosentris, di mana sejumlah turbin tekanan rendah menggerakan fan dan compressor tekanan rendah secara mekanis langsung (1:1). Sedangkan Rolls Royce memakai teknik yang agak berbeda dan lebih komplek, yaitu mesin turbofan 3 rotor, di mana turbin tekanan rendah hanya menggerakkan fan. Turbin tekanan rendah diancang sedemikian rupa agar dapat mengekstrak energy aliran udara panas sebanyak mungkin untuk menggerakan fan dan untuk mengimbangi kebutuhan fan, biasanya dipakai sejumlah tingkat turbin tekanan rendah dengan tip diameter yang lebih besar daripada turbin tekanan tinggi.

    Pada mesin konvensional perubahan ini akan semakin menyulitkan karena tip diameter fan yang semakin besar (untuk mencapai bypass ratio yang semakin besar) untuk mengimbangi putaran turbin tekanan rendah. Pratt & Whitney memilih jalan lain yaitu dengan penambahan reduction gearbox, dimana putaran fan dapat diperlambat dan putaran turbin dapat dipercepat sesuai dengan kondisi idealnya. Reduction gear ini akan mengurangi putaran turbin tekanan rendah menjadi sekitar sepertiganya, sehingga fan akan berputar sepertiga lebih lambat, contohnya bila turbin tekanan rendah berputar sekitar 3000 rpm, maka fan akan hanya berputar sekitar 1000 rpm. Kondisi ini lebih ideal untuk fan, kompresor tekanan rendah dan turbin tekanan rendah.

    Namun untuk mesin dengan reduction gearbox ini menimbulkan permasalahan baru, yaitu ketahanan reduction gearbox untuk daya yang sangat besar pada sebuah mesin turbofan. Berbeda dengan mesin turboprop yang dapat menghasilkan daya maksimum sekitar kisaran 15.000 SHP (shaft horse power), tidak terlampau sulit mengatasi masalah kerugian panas akibat pemakaian. Jika sebuah mesin turbofan menghasilkan daya 200.000 HP dan effisiensi reduction gearbox sekitar 98%, maka kerugian daya yang dikonversikan ke panas sekitar 2% atau sekitar 4.000 HP. Bagaimana cara mengatasi panas yang besar dengan tempat yang terbatas dan dengan bobot system pendingin yang seringan mungkin. Pratt & Whitney pun membutuhkan waktu berpuluh puluh tahun untuk mengatasi masalah ini, berdasarkan pengalaman mereka dalam merancang mesin turboprop.

 

     Produsen lainnya pun ada yang memilih cara lainnya, seperti Snecma (Perancis) dan MTU (Jerman), yaitu dengan mesin counter-rotating turbofan yang memiliki fan ganda dengan putaran saling berlawanan. Counter rotating turbofan akan mengurangi putaran fan tanpa bantuan reduction gearbox, namun kerumitan mesin pun akan semakin bertambah. Kelebihan lain dari mesin counter rotating turbofan ini adalah tip diameter fan akan lebih kecil daripada mesin turbofan dengan single fan yang berarti mengurangi hambatan aerodinamis untuk mesin dengan kapasitas aliran udara yang sama.

[caption caption="Model mesin counter-rotating turbofan Snecma"]

[/caption]

 

    Pada tulisan selanjutnya akan membahas lebih dalam lagi tentang mesin pesawat terbang, permasalahan dan solusinya di masa depan.