Upload
sandra-prasetyo
View
255
Download
8
Embed Size (px)
Citation preview
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 1/11
MI(E 2BAB 7 MESINPROPIII.SI
7. MESIN PROPULSI
7.I PRINSIP KERJA MESIN PROPULSI
Untuk mempelajariprinsipkerja mesinpropulsi,perlu kita ingatkembalikonsep
aplikasi teori momentumdengannlmus utamanyasebagaiberikut:
z F,: *, {f +!(*,nw,),n
* [*w,pwndA (7.r)
Dimana:
V,,vA adalah kecepatan (arah x) volume atur bergerak relatif terhadap sistem inertial
tetap(absolut).
W, adalah kecepatanrelatif terhadapvolume atur bergerak.
W, adalah komponen kecepatanrelatif fluida normal terhadapbida-ngmuka volume
atur.
*dV'r't adalah sava inersia semuamassam dalarrvolume atur akibat daridt
dv-,,percepatan
dt
!(mV/,\,," adalahlaju tumpukmomentumlinear dalamvolumeatur dengan0 t '
^ ' v ^
kecepatandiekspresikanrelatif terhadapvolume atur.
[,*fT ,OW,dl adalahlaju neto efluks momenf.rmlinear dari volume atur.
Untuk keadaantunak, laju tumpuk momentum linear adalahnol, jadi:
ZF',=*,^{f * Iruv,(pv,dA)(7.2)
Bila volume atur bergerakdengankecepatankonstan,maka dVr.vn/dt samadengannol
Jadi:
LFr= [v,(pv,A)(7.3)
Arahgerak
Gambar7.1 Ilustrasikecepatanudaradanjet padamesinpropulsi.
Mke 2 MesinPropulsi/Hen0808 1-1
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 2/11
MKE2BAB 7 MESI}IPROPUSI
pr a ---->
-..---..>
--------------->
D . . +t idr
+
-------->
*/ '
a-------
P*r
Vvn-..-..>
__-_}>
Gambar7.2 Volume atur mesin turbo-jet.
Pa: tekananatmosfir
Pr: tekanangaskeluar
Pm
: tekananudara masuk
Ap = luas bidang keluar gas
A- : luas bidang masuk udara
A : luas bidang volume atur
Dari keseimbangangaya-gayaakibat tekanan :
p*Ar + p,(A- Ao)-p,(,q-,q^)- p^A. =(eo - p")Ao -(p^ - p")A^ Q.4)
Iadi I, dapat ditulis sebagai:
zF, : -D - mr gcosd+ (po - p,)Ao -(p^ - p")A, (7.5)
D:
gayatahananakibat gesekandan sebagainya.mw I cos 0 : gayaberat badan.
Dua suku terakhir adalahgayatekananyang bekerja padamuka atur.
Dengan menggunakan
furu laju massabahanbakar
ti'to : laju massaudara
Vp kecepatanabsolut fluida keluar
V^ kecepatanabsolut fluida masuk
dan denganrumus (7.2) didapat:
- D - mrogcosl- *r^+ + it,(Vo-V^)* fuuuVo+(po - p")Ao-(p* - p.)A* = o
(7.6)
Dari diagramgayabendabebas,gayadorong F adalah:
F = Drmv,sgcosd-* r+
Denganmenggunakannrmus(7.6) dan(7.7), secaralengkapgayadorong F adalah:
F=
fuo(vo-v,)+
rhuuvu*(po-
p,)Ao-(p, - p,')A, (7.8)
(7.7)
Mke 2 Mesin Propulsi/Hen 0808 1 a
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 3/11
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 4/11
MKE 2BAB 7 MESINPROPIII'SI
Didapat pt :53,55 kPa
!L:$ jadi, p2 :g03,33kpapr
Padakompresor(proses
isentropik)J- l
Tt =(U); - 150,"u=2,168Tt \P t )
jadi Tz :542K
Padasisi sebelumsuduturbin, T3: 1200K (batasmaksimumkekuatanmaterialnya),oleh karenaitu kaloryangdiijinkanmasukadalah:
4ou= c,V', -Tr)
l - r
=1-I1-(rzoo-542)K =658kJ/kgk g . K '
'
Pada mesin jet propulsi pesawat, semua kerja turbin digunakan untuk memutar
kompresor.Jadi:
W*,h-=Wko^o: co(Tt-T+)
atau dapatjuga ditulis
t r@,-To)= cr(7,
-Tr)
jadi:
T, -To - Tz-Tr = 542-250:292 K
Tt : 12 '00-292 K:908 K
Untuk turbin denganprosesisentropik:
r
u =(!t)- =f ?0,*,)''': 0,376sp; (.r ,/ \1200i
jadi dengan ps: pz
pa:0,3768pt:0 .3768 x 803kPa: 302,73kPa
Dengan asumsi proses ekspansi isentropik pada nosel, dari 302,13 kPa ke 40 kPa,
memberikan:
x- l
q =[ ,1q) .=1,oo )o ' "u :os6os14 | p,) [loz.zr)
"'-"
T5 :0,5609 x 908K:509,27 K
Persamaanenerginoseladalah:
v ": c r ( T o - T r ))
Mke 2 lllesin Propulsi/Hen0808 7-4
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 5/11
MKE2BAB 7 MESIN PROPT'LSI
: 1.(908-509,27)#"
:398,73 kJ/kg
vs: ^,1(2x398,73
x 1000)m/s:893m/sFooronr:=fuoVo -Vrn)
=ix, (893-200): it , 693N
Foor, A/laol = 69 3
""
lajuudararit" kg udara / s
Kalor yang ditanrbahkanpada ruang bakar adalah 658 kJ per kg udara (dengan r'ilai
bahan bakar 42 00AkJ/kg)
Neraca energi memberikan:
658m": 42 000mot
ma 42000= #: 63,83kg udara/ kg bahan-bakar
ffitt 658
Thrust-spesifi c fuel consumption(ZSFQ didefinisikansebagai:
TSFC- gqtadorong
fuun
693il: - ' - . . ' - " N/kgbb/sti'to
63,83
-- 44,234 l,l.l/kg bb/s
Untuk laju udara 30 kg/s,gayadorongnyaadalah
':'::r;'o fft
udara/sksrs
Efisiensi kompresor dihitung berdasarkan:
n. _
Kerja kompresiisentropikantarap, dan po
'tk('mpresor Kerja nyata dibutuhkan
efisiensikompresoradalahsekitar85%.
Efisiensi turbin gasciihitung berdasarkan:
Kerja nyatadihasilkan4 trrhin urr.,
:' qasKerja dibutuhkan ekspansiisentropik antarap^ dan po
Efisiensiturbin gasberkisarpada90o/o.
Mke2 MesinPropulsi/Hen0808
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 6/11
MKE 2BAB? MESINPROPUSI
7.3 MOTOR ROKET
Roket merupakan sejenis pesawat terbang yang menggunakan motor roket sebagaimesin propulsi pendorongnya. Roket dipergunakan untuk melontarkan pesawat ruang
angkasa,peluru,
pemercepat pesawat terbang dan keperluan lainnya. Penggerak utarnaroket terletakpadamotomya.Motor roket terdiri dari ruang bakar dan nosel (Gambar 7.5) yang secarakeseluruhan
membentuk nosel konvergen-divergen. Ruang bakar merupakan ruang yang kuat dantahan temperatur tinggi, dimana bahan bakar yang menyimpan energi tinggi dibakar
untuk menghasilkan gas bakar bertennperatur, dan dengan demikian bertekanan tinggi.
Gas bakar ini selanjutnya disalurkan melalui nosel konvergen-divergen untukmenghasilkanjet berenergikinetik atau berkecepatantinggi.
T '/r""
I
F n - m n q - D - m n (7.e)
dimana Fn : gayadorong roket.
trIR: maSSarOket
D : gaya tahanan(gesekanudara)Vn : kecepatanmelaju roket
D
I'r Vp
Dl
i ti l
-
If " l
(a) (b) (c)
Garrhar 7.4
a. Roket
b. Motor roket
c. Muka atur motor roket
Prinsip kerja roket berbedadengan mesin turbo-jet. Motor roket (disebut sebagai
roket saja) hanya memiliki ruang bakar dan nosel saja. Bahan bakar dapat berupa padat
ataupun cair. Prosespembakarandilakukan dengan menyalakan campuran bahan bakar
dengan oksiciaisemya.Untuk menganalisis karakteristik roket, perhatikan Gambar 7.4
diatas.Roket mengarahvertical keatas, gaya-gaya yang terjadi adalah gaya tahananD
dan gayaberatnyasendiri ruag.
Kecepatanroket adalah Zp.
Dari diagrambendabebas,memberikan:
.i]",,I - ^I ' i , 6 q
I
i
f + ft
:i'\r
ri l l i ' 'ii l,'l
Xf u '
dVo=0
dt
Mke 2 Mesin Pronulsi/Hen 08()8 1-6
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 7/11
MKE2BAB7 MESINPROPUEI
Dari persamaanmomentum:
F = titrvo+(po - p")An (7.10)
dimana rh, :lilumassa gaskeluar termasukoksidan dan bahanbakar.
V1,:Kece,patan gaskeluar dari roket.Pr : tekanan gaskeluar
Pa:tekananatmosfir
Ap: IJASperuLmpangbundel gas keluar
Dari kedua persamffm diatas,
i t rVo+bo - p")Ao- mn7- D - *^T =, (7-1l)
Untuk dapat menembus ruang angkasa"F harus sangat besar sehingga dapat mengatasi
gaya gravitasi. Bila D danmpgkecil dibandingkandengan.F',maka denganmengabaikan-
nya didapat:
(po-p" \Ao : r r *# - tu rvo (7 '12)
Padasetiapwaktu, mR: mo- irst
jadi , 7v^ -=- dt
\pt- p")Ao + ritrVo m, - titrt
Selanjutnyabila ms,pt, dan Vr dianggapkonstan dan Vn: Vn.odanmn: m0(massaawal
roket) padasaatt :0.
Denganmengintegrasikandidapat.
f A , - , f . ( . * " t \v * - v oo : - l ( o r - p , ) + + 4 l r " lt - 13 ' I ( 7 . 13 )
I m * i \ m o )
Untukwaktu t, bahanbakaryangmerupakanmassapropelant(bahanbakartermasuk
oksidannya)yang terbakardalam selangwaktu I dinotasikan sebagai mr,.
nr"disebut sebagaifraksi propelan, dan
f f ino
fln"disebutsebasaifiaksi massaroket.
m r.o- 171
,,
( * - , \ mJad i -h l t -
" 'P rl= 1P
" 'uo
\ uo .o ) mno- f f i r '
f r r IKomponen l\I*4+Vo I
disebutsebagaikecepatanknrakteristikdi-
l ^ ' InotasikansebagaiC1
Mke 2 Mesin Propulsi/Hen 0808 7-7
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 8/11
MKE 2BAB 7 MESIN PROPULSI
jad i :
Persamaandiatasdisebut sebagaipersamaanroket.Dari persamaandiatas terlihat bahwa perubahankecepatanroket pada medan bebas
gravitsi dan gesekanadalah proporsional terhadapkecepatangas keluar efektif danlogaritmanaturalrasio massaroket
ffinl
m*.0 - lflo,
dimana mo,adalahmassapropeiant yang terbakar dalamprosespembakaran.
Selanjutnya Impuls spesifik didefinisikan sebagairasio antara gaya dorong dengan laju
bahanbakar (gas),dinotasikan sebagai 1"o I Nlkg.s ]Denganmenggunakandefinisi Cr:
V* -V*.0 = CoInmRl
m*.0- t|to,
c r = 4 A u + v offir
F* = ritrCo dan I,o = C *
V^ -V^o = I,r l f lf f i^o
^ffin.o - ffi.,
(7.r4)
(7.15)
(7.16)
(7.r7)
(t.re)
Maka
jadi
- F *tir g
Untuk mendapatkankecepatan roket yang tinggi, karena rzno konstan tertentu
harganya"maka 1"ojuga harus tinggi. Jadi diperlukan propelan dengan impuls spesifik
yang tinggi. Untuk mencapaijarak jelajah yang tinggi roket memerlukanjumlah propelan
yang besar.Oleh karenanyamassapropelanbisajauh lebih besardari pada massastrukturrokctnya sendiri. Oleh karena itu trntuk mengurangi massa roket (za), roket dibuat
bertingkat-tingkat. Setiaptingkat yang semulaberisi propelan setelahterpakai dilepasdari
kendaraanutamanya.Setiaptingkat mempunyai struktur, propelandan mesin sendiri.
Abaikan gaya tahanan,gravitasi, dan tekananpada persamazn gayadorong. Bila
untuk setiap tingkat rasio massaawal terhadapmassapropelan yang terbakar sama,dan
setiap tingkat mempunyai kecepatan gas bakar keluar yang sama, maka pertambahan
kecepatanyang dihasilkan tiap tingkat akan sama. Jadi bila telah n tingkat yang bekerja,
kecepatanroket menjadi:
V* = nVr l n
* *o (7 .18 )m o.o
- lll,,
dimanamn./(nn.o* mp) adalahrasio massatiaptingkat.
Pemakaian roket bertingkat memungkinkan astronot lepas dari gaya tarik bumi. Untuk
dapat lepas dari bumi, roket harusmempunyai energi kinetik yang cukup untuk mengatasi
gravitasi. Gaya gravitasi yang harusdilawan adalah:
F=GY?
dimana I adalahjarak antara roket dengan bumi dan G adalahkonstantagravitasional.
Jika jarak z roket terhadappermukaan bumi bertambah,percepatangravitasi berkurangdensan:
Mke2 MesinProoulsi/Hen0808 7-8
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 9/11
MI<E2BAB ? MESIN FROPUI^SI
I = ,R'
. , (7.20)so (n + t)'
dimanaR adalahjari-jari bumi d* g, percepatangravitasipadaperrnukaanbumi.Unhrk bisa lepasdari gayatarik bumi, energi kinetik roket minimum harus samadengan
energipotensialnya.Jadi:
tr*v*,=*'=igd,=msoR2i#+=msoR
atau V*: r!2goR (7.21)
Bila 96: 9,81 dan ,R: 6378km, maka:
l ,-r
v*=lz$,8k6,387x1t')l3* |\l
'Ls'-i
11200m/s.
Sebagaicontohroketwahanaangkasaluar SaturnV yangmembawamisi Appolo:Roketterdiri dari 3 tingkat denganpropelancair.
Tabel7.1 Datz-dataroket SafiirnV.
Satuan TingkatI
Tingkat2
TingkatJ
Jenis motor roket F- l I-2 J-2
Jumlah rnotor roket 5 5 I
Total eayadorons MN a aJ J 5 I
Isi propelanoksigencair Ton 1 400 360 360
Isi orooelankerosene Ton 620 70 70Masahidup mesin Detik r 150 + 395 t 395
Laiu oksigencair Ke/s | 793 204 204
Laiu kerosene Ke/s 790 37 37Tekanan ruans bakar M P a 6,65 5,26 5,26
Temperafurruang bakar K 3 570 3 440 3 440Rasioekspansinosel 1 6 : I 27,5: I 27.5: 1
I KN/keis ) 5 5 4 , 16 4 , 16
Mke 2 MesinPropulsi/Hen08A8 1-9
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 10/11
MKEzBAB 7 MESINPROPI'I'SI
Contoh-contohbahanbakarroket:
Tabel7.2 Beberapadatabahanbakarroket.a. Bahanbakarcair (dariHaberman):
( 1"ountuk tekanan ruarrgbakar: 6,9 Mpa dan iekananudara luarpp: l0l kPa)
b. Bahanbakarpadat:( 1", untuk tekananruang bakar: 6,9 Mpa dan tekananudara luarpl: l0l kPa)
c. Propelantunggal(tekananruang bakar : 2 Mpa dan tekananudara luar I 0l kPa)
Oksidaiser Bahan bakar Rasio massa
bahan bakar(Oks/bb)
Isp
kN&e-s
calr Hidrosencair 3.50 3.80catr Methanecair 3.00 2.90cair RP-I 2,24 2,80
cair F{ ne 0,75 2-95
calr Pentaborane(B 2,07 3.00
Fluorinecair Hidroeen cair 4.70 3.90
Fluorinecair I\,Iethanecair 3 .1 5 3.07Fluorinecair Pentaborane 3.75 3.23Nitrogen tetroxide Hvdrazine 1 .1 0 2.79
Nitroeen Tetroxide Pentaborane 3.10 2,80
Hydrogenperoxide(HrOt Hvdrazine 1.50 2,77
Hvdrosen neroxide Pentaborane 3,24 2,93
Ammonium nitrate llium 69 2.83Ammoniumnitrate Boron 6 1 2.46
Ammonium nitrate Aluminum 6 1 2,50
Ammonium perchlorate Bervllium 70 2,78
Ammonrumperchlorate Boron 7 l 2,50
Ammon um perchlorate Lithiumhvbride 60 2,36
Ammon um perchlorate Aluminum 65 2,60
Hvdrazinen trate Bervllium 69 2.83
Hvdrazinen trate Boron 6 l 2.55
Hv<irazinen trate Lithium 69 2.49
razrnenftrate Aluminum 6r 2.57
Nitrornethane 2 ,1 4
Hydrogenperoxide(87-13% H2O) 1,24
ne oxide 1 ,5 7
Mke2 MesinPropulsi/Hen0808 7 - t 0
8/7/2019 Diktat MKE-2 Mesin Propulsi
http://slidepdf.com/reader/full/diktat-mke-2-mesin-propulsi 11/11
MKE 2BAB 7 MESIN PROPTILSI
Kecepatanmaksimumgaskeluar dari motorroket dapatdihitungsebagaiberikut:
' - - _ - - \\
\
\ , UP - P L rT T
' l 'a . -
-
t'/a''"----'/
Gambar7.6 Nosel roket.
Denganmenggunakanpersamiurnenergi tunak satudimensi
h,= ho+4
h,b: entalpidi ruangbakarh* : entalpi keluar
dengan t o: *R
didapat Vo: ^W;4
Denganmenganggapaliran isentropik padanosel,
I
dimana:
Jadi :
J -l
rk ( p " \ - ;
\ = l ^ )m
v,_ lzr*r*|1_[!_1, II
x _ r L\ p , o )lE
Karena R = I dimana M adalahmassamolekular ratatata gaskeluar dan R adalahM
konstantagasuniversal, maka:
Untuk prosesekspansiidealpadanosel,p* : po danI,r: Vk,,iadi impuls spesifikbahan
bakar rokert dapat clihubungkandengan rasio antara temperatur nrang bakar dan berat
molekul gaskeluar.
Impuls spesifik tinggi berarti temperatur ruang bakar tinggi dan berat molekuler rata-rata
rendah.
Karena kecepatan bakar dan arus yang tinggi, proses adiabatik pada metoda
kesetimbangantermodinamik dapatditerapkanuntuk menghitung temperaturpembakaranadiabatik T,i,danproduk dari prosespembakaran.
V, II
1 l
ll
| . r r l
,*(+l['lfr]]
Mke 2 Mesin Propulsi/Hen 0808 7 - 1 1