Mengapa Turbine Blade pada Mesin Jet tidak meleleh?

       

Mengapa Turbine Blade pada Mesin Jet tidak meleleh?

                                                    

                      

        Sebelum membahas judul di atas lebih mendalam, alangkah baiknya kita lebih dahulu tahu bagaimana teknologi mesin jet yang sudah biasa ditemui di era penerbangan modern. Bukan hanya dalam penerbangan militer, tetapi juga dalam penerbangan sipil. Di sini kita akan mengambil contoh teknologi mesin jet jenis turbofan, Rolls-Royce Trent 1000 yang disematkan di kedua belah sayap Boeing 787 “Dreamliner”.

        Bayangkan, ketika mesin sudah dinyalakan dan berputar dalam kecepatan maksimum. Dalam keadaan full speed rotation atau kipas besar di bagian depan mesin jet berputar dengan kecepatan hingga 3.300 RPM. Fan ini yang bertindak sebagai Low Pressure Compressor (LP) menghisap udara ke dalam mesin dengan Airmass Flow Rate 1.290 KG/s. Dengan kata lain memindahkan udara seberat 72 ton dari bagian depan ke dalam mesin dalam waktu 1 menit.

 Udara yang telah terhisap ada yang mengalir langsung ke belakang bypass dan ada yang masuk ke dalam bagian dalam mesin. Udara yang masuk ke bagian dalam mesin kemudian dimampatkan oleh Intermediate Pressure Compressor (IP) dengan kecepatan lebih dari 7.000 RPM. Kemudian dimampatkan lagi oleh High Pressure Compressor (HP) yang mempunyai kecepatan lebih dari 10.000 RPM.

        Udara bertekanan tinggi dari compressor dimasukkan ke dalam ruangan yang bernama combustion chamber atau ruang pembakaran. Kemudian dicampurkan dengan bahan bakar yang keluar dari injector, dan dibakar oleh ignitor.Hasil pembakaran ini menghasilkan energi yang sangat besar dengan suhu lebih dari 2.000° C.

        Gas panas hasil pembakaran combustion kemudian keluar dari combustion chamber, melewati 7 Turbine. Masing-masing 1 HP Turbine, 1 IP Turbine, dan 5 LP turbine, dengan suhu 1.500° C dan berangsur menurun menjadi 900° C. Kemudian keluar dengan kecepatan tinggi melalui nozzle di bagian belakang mesin jet. Gas yang keluar ini menghasilkan Thrust atau gaya dorong sebesar 350 kN atau setara 78.000 Pound. Bahu-membahu bersama dengan mesin jet di sisi lainnya untuk mendorong sebuah pesawat dengan massa lebih dari 100 ton. Memberi percapatan pesawat dari diam menuju kecepatan 300 km/jam dalam waktu hanya 20 detik, dengan berbekal prinsip yang sangat sederhana, Hukum Newton 3, aksi = reaksi.

Kondisi Ekstrim saat Pembakaran

Skema Turbofan

        Pada saat pembakaran, komponen-komponen mesin seperti combustion chamber dan Turbine Rotor pada Hot Section (berwarna jingga) berada dalam kondisi yang sangat ekstrim, suhu antara 1.500 – 2.000° C, tekanan tinggi, putaran tinggi, serta getaran tinggi. Pada tulisan ini akan dibahas lebih mendalam tentang bagaimana turbine blade bisa bertahan selama pembakaran dan dalam kondisi yang sangat ekstrim.

        Saat gas panas keluar dari Combustion Chamber, turbine blade menerima tekanan yang sangat tinggi disertai suhu hingga 1.500° C, artinya turbine blade mendapatkan beban suhu di atas rata-rata Titik Leleh (Melting Point) logam. Kemudian setelah berputar dengan putaran yang sangat tinggi (mencapai 10.000 RPM), turbine blade akan menerima beban lainnya yaitu beban Tegangan Tarik Tension hasil dari Gaya Sentrifugal saat berputar, serta beban getaran. Kondisi yang sama terjadi pada Steam Turbine dan Turbin pada Reaktor Nuklir. Kondisi ini membuat turbine blade sangat riskan terhadap kerusakan, seperti deformasi jangka panjang, kelelahan material (fatigue) serta korosi (corrosion).

Kenapa TurbineBlade tidak meleleh saat pembakaran?

        Turbin Blade terbuat dari material Superalloy, yakni paduan khusus yang dibuat untuk komponen-komponen dalam kondisi ekstrim seperti turbine blade dan Combustion Chamber. Salah satu contoh Superalloy adalah Inconel Superalloy yang dipakai pada Engine Manifold roket Falcon 9. Tetapi kebanyakan turbine blade menggunakan Nickel-based <Superalloy, atau paduan super berbasis Nikel.

        Selain terbuat dari Superalloy, turbine blade juga dimodifikasi sedemikian rupa untuk tahan terhadap suhu yang sangat tinggi supaya tidak meleleh, contohnya dengan metode Cooling path Design dan Thermal Barrier Coating (TBC). Cooling path Design adalah sebuah metode pendinginan turbine blade dengan mengalirkan udara melalui lubang-lubang kecil yang ada di bagian dalam turbine blade. Udara yang relatif lebih dingin dibandingkan gas hasil pembakaran ini berasal dari Low Pressure Compressor di bagian depan mesin jet dan berfungsi untuk mendinginkan permukaan Blade yang terkena beban suhu tinggi dari gas panas hasil pembakaran.

Berbagai metode Cooling pada Blade (sumber : [a] www.iop.org

        Metode lainnya yaitu dengan Thermal Barrier Coating (TBC), dengan menambahkan lapisan tahan panas pada permukaan Blade. Lapisan ini biasanya terbuat dari keramik dan terdiri dari 4 lapisan Ceramic Topcoat, Thermally Grown Oxide, Metallic Bond Coat, dan Superalloy Substrate. Lapisan paling luar (Ceramic Topcoat) mampu menyerap panas dan tetap menjaga lapisan dalam Blade tetap dalam suhu rendah.

        Kesimpulannya, ada banyak cara untuk memodifikasi material yang dipakai untuk membuat turbine blade pada mesin jet (ataupun pada Steam Turbine dan Reaktor Nuklir), supaya bisa bertahan pada suhu ekstrim, yakni dengan metode Superalloy, Cooling path Design, Thermal Barrier Coating, serta dengan Solidification. Khusus untuk metode Solidification akan dibahas dalam artikel lain.

Daftar Rujukan

Callister, W.D., (2010), “Materials Science and Engineering : An Introduction – 8th ed.”. ____ : Wiley and Sons Canada.

Van Vlack, L. H, (1989), “Elements of Materials Science and Engineering – 6th ed." . Boston : Addison-Wesley Longman.

Petter Spittle, (2003), “Gas Turbine Technology”. www.iop.org/journals/physed.                                                                    </div>

                                                                                            </div>