ANALISA KINERJA ENGINETURBOFAN CFM56-3

Afdhal Kurniawan Mainil (1)

(1)Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Bengkulu

ABSTRACT

This study focused on the performance analysis of a turbofan engine type used oncommercial aircraft with CFM56-3 type. The performance tests consisted of several stagesof testing are the the start up testing phase, the minimum idle, the idle approach, themaximum continuous, the take off, and the acceleration. Each of test has thecharacteristics, so the working, efficiency, and thrust at each condition are different. Inorder to obtain comparisons between each condition, the Brayton cycle was used as areference, then the actual work and the ideal, the cycle thermal efficiency and engine thrustfrom each test condition can be known. The highest thermal efficiency was achieved on theactual take off condition with an efficiency of 37% while the ideal is 47%, for the actualthrust of 2397.43873 lb while the ideal is 25091.96387 lb.

Keywords: engine turbofan CFM56-3, performance, thrust, efficiency

1. PENDAHULUAN

Pesawat terbang merupakan alat transportasi yangsering digunakan untuk menempuh jarak jauh denganwaktu yang relatif singkat. Dalam hal ini, faktorkeselamatan merupakan hal yang sangat pentinguntuk diperhatikan. Baik sebelum melakukanpenerbangan, selama melakukan penerbangan, dansetelah melakukan operasi penerbangan. Untuk ituselain awak pesawat yang selalu dalam kondisi primajuga perlu didukung oleh performa engine yangsangat baik. Prestasi suatu engine diantaranya dapatditentukan dengan mengetahui kerja pada masing-masing komponen, energi masuk, energi keluar,efisiensi termal dan gaya dorong engine tersebut [1].

PT. Garuda Maintenance Facility (GMF) AeroAsiamerupakan salah satu instansi yang berkaitan eratdengan perawatan maupun perbaikan pesawatterbang yang kegiatannya meliputi pengecekan,pembongkaran, pembersihan, perakitan, danpengetesan engine pesawat terbang. Prosespengetesan engine dilakukan di suatu unit yangdisebut test cell [2] , yang mana dalam persiapannyadilakukan secara manual dan pendataannya dengankomputerisasi yang secara otomatis menghasilkanoutput berupa data pengujian.

Dalam Penelitian ini Analisa difokuskan padaperforma suatu tipe engine turbofan yang digunakanpada pesawat komersial dengan tipe CFM56-3.pengujian yang dilakukan terdiri dari beberapa tahappengujian. Tahap pengujian tersebut adalah start up,minimum idle, approach idle, maximum continuous,take off, dan acceleration. Setiap pengujian memilikikarakteristik masing-masing, sehinga, kerja,effisiensi, dan gaya dorong pada setiap kondisiberbeda pula.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Turbin Gas

Turbin gas seperti tampak pada “Gambar (1)”,merupakan suatu motor bakar yang terdiri dari tigakomponen utama yaitu kompresor, ruang bakar, danturbin. Salah satu penerapannya dapat digunakanuntuk sistim propulsi yang berfungsi menghasilkangaya dorong (thrust). Turbin gas yang digunakanuntuk sistim propulsi salah satunya adalah tipeturbofan [3,4,5].

Gambar 1 Skema Engine Turbofan [3]

2.2. Engine Turbofan CFM56-3

Engine CFM56-3 merupakan mesin jet turbofandengan kapasitas bypass yang besar, dual rotor yangdigunakan dengan teknologi advance axial flow yangdirancang untuk digunakan pada pesawat terbangjenis BOEING 737 dan variannya. Engine CFM56-3yang ditunjukkan pada ”Gambar (2)” adalah produkdari CFM International dimana merupakanperusahaan gabungan antara General Electric AircraftEngine (GE) Amerika dengan perusahaan SNECMAPerancis [2].

Analisa Kinerja Engine Turbofan CFM56-3 (Afdhal Kurniawan Mainil)

79

Gambar 2 Engine Turbofan CFM56-3[2]

2.3. Pengujian Engine Turbofan CFM56-3

Ada beberapa kondisi yang terjadi pada saatpengujian engine, kondisi-kondisi tersebutdiantaranya adalah sebagai berikut [2]:

1. Start Up

2. Minimum Idle

3. Approach Idle

4. Maximum Continuous

5. Take Off

6. Acceleration

Dari beberapa kondisi pengujian di atas, ada empatpengujian yang akan dianalisa diantaranya adalahMinimum Idle, Approach Idle, Maximum Continuous,dan Take Off.

2.4. Siklus Brayton

Siklus Brayton merupakan siklus dayatermodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saatini siklus ini yang sangat populer digunakan olehpembuat turbine atau manufacturer dalam analisauntuk up-grading performance [3]. Siklus Braytonini terdiri dari proses kompresi isentropik yangdiakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanankonstan. “Gambar (3)” menunjukkan skema turbingas sederhana Siklus Brayton dan “Gambar (4)”menunjukkan diagram T-s dan P-V untuk siklusBrayton ideal.

Gambar 3. Skema turbin gas sederhana [2]

Gambar 4. Diagram T-s dan P-V siklus Brayton ideal [3]

2. METODOLOGI

2.1 Turbin Gas

Engine turbofan CFM56-3 adalah sistim turbin gasdengan siklus terbuka yang terdiri difuser, fan,boster, kompresor, ruang bakar, turbin tekanantinggi, turbin tekanan rendah dan nosel. Nosel padaengine ini dibagi menjadi dua, yaitu nosel dingin dannosel panas. Nosel panas adalah nosel yang beradapada aliran utama yang mana alirannya melaluiproses pembakaran. Sedangkan untuk nosel dingin,udara yang melalui fan langsung diteruskan ke noseldingin tanpa proses pembakaran. Skema engineCFM56-3 ditunjukkan pada “Gambar (5)” sedangkandiagram T-S dan P-V ditunjukkan pada “Gambar(6)”.

FAN

BO

OS

TE

R

HPC HPT LPTN

OZ

ZL

E

COM BUSTIONCHAM BER

1

2 3 4 5 6 7

82

9

NO

ZZ

LE

Gambar 5 Skema engine CFM56-3

Gambar 6 Diagram T-s dan P-V turbofan CFM56-3

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari perhitungan yang dilakukan dapat diambil suatuperbandingan kerja, energi dan gaya dorong baik

Jurnal Teknik Mesin Vol. 8, No. 2, Desember 2011 ISSN 1829-8958

80

ideal maupun aktual pada engine. Data-data tersebutdalam grafik ditunjukkan pada “Gambar (7)”,“Gambar (8)” dan “Gambar (9)”.

0

10

20

30

40

50

60

Minimum Idle A pproac h Idle Maximum

C ontinuous

Take O ff

K ondisi

Ke

rja

(Kj/

Kg

)

Wi Wa Qlos s es

Gambar 7 Grafik Perbandingan kerja fan terhadap kondisipengujian

020406080

100120140

Minimum Idle A pproach Idle Max imum

C ontinuous

Take Off

K ondisi

Ke

rja

(Kj/

Kg

)

Wi W a Qlos s es

Gambar 8 Grafik Perbandingan kerja Booster terhadapkondisi pengujian

0

100

200

300

400

Minimum Idle A pproac h Idle Max imum

C ontinuous

Take O ff

K ondisi

Ke

rja

(Kj/

Kg

)

Wi Wa Qlos s es

Gambar 9 Grafik Perbandingan kerja HPC (High PressureCompressor) terhadap kondisi pengujian

Ketiga gambar tersebut di atas menunjukkanperbandingan besar kerja yang diperlukan pada saatproses kompresi antara kondisi aktual dan kondisiideal serta jumlah Qlosses-nya pada tiap-tiap kondisipengujian.

Untuk meningkatkan tekanan, fan, booster dan HPCmemerlukan kerja yang diperoleh dari turbin. Secaraideal kerja yang dibutuhkan kompresor akan lebihkecil dengan kenaikan temperatur yang lebih kecilpula. Namun, secara aktual temperatur temperaturmeningkat lebih tinggi dan kerja yang dibutuhkankompresor menjadi lebih besar sedangkan tekanan

yang dihasilkan sama. Fenomena tersebutdiantaranya disebabkan oleh :

1. Tidak balancenya sudu-sudu sehinggamenghasilkan tekanan dan temperatur yangberbeda pada setiap titik sudu kompresor.

2. Adanya kebocoran sepanjang lintasan tiap-tiaptingkat kompresor.

3. Ketidakakuratan alat ukur yang digunakan.

Hal-hal di atas mempengaruhi besarnya panas yanghilang selama proses kompresi pada kompresorsehingga dapat mempengaruhi besarnya kerja yangdibutuhkan untuk menggerakkan kompresor.

0

200

400

600

800

1000

1200

Minimum Idle A pproac h Idle Maximum

C ontinuous

Take Off

K ondisi

Qin

(Kj/

Kg

)

Qaktual Q ideal

Gambar 10 Grafik Perbandingan energi masuk terhadapkondisi pengujian

”Gambar (10)” menunjukkan adanya penurunan padakondisi approach idle. Besarnya energi yangdihasilkan sangat dipengaruhi oleh temperatur masukdan temperatur keluar dari ruang bakar. Pada kondisiini kenaikan temperatur pada ruang bakar lebih kecildibandingkan kondisi minimum idle. Hal ini terjadikarena pengaruh perbandingan massa aliran bahanbakar dan udara yang masuk ke dalam ruang bakar.Perbandingan ini akan menentukan nilai kenaikantemperatur yang terjadi di ruang bakar atau yangbiasa disebut dengan Trise. Walaupun perubahantemperatur pada saat approach idle lebih kecil dariminimum idle, tetapi temperatur keluar ruang bakaryang akan memasuki turbin saat approach idle lebihtinggi, yang akan mempengaruhi kerja turbin. Olehkarena itu, walaupun energi masuk lebih kecil,approach idle menghasilkan kerja turbin yang lebihbesar dari kondisi minimum idle.

0100200300400500600700

Minimum Idle A pproac h Idle Maximum

C ontinuous

Take O ff

K ondisi

Ke

rja

(Kj/

Kg

)

W i Wa Qlos s es

Gambar 11 Grafik Perbandingan kerja HPT (High PressureTurbine) terhadap kondisi pengujian

Analisa Kinerja Engine Turbofan CFM56-3 (Afdhal Kurniawan Mainil)

81

0

50

100

150

200

250

300

Minimum Idle Approach Idle Maximum

C ontinuous

Take Off

K ondisi

Ke

rja

(Kj/

Kg

)

Wi Wa Qlos s es

Gambar 12 Grafik Perbandingan kerja LPT (Low PressureTurbine) terhadap kondisi pengujian

“Gambar (11)” dan “Gambar (12)” menunjukkankenaikan kerja alat ekspansi di setiap tahap kondisipengujian. Pada “Gambar (11)” terjadi penurunanQlosses, hal ini disebabkan karena perbedaan kerjaideal dan aktual semakin kecil. Fenomena ini terjadikarena adanya perbedaan perubahan temperatur padasetiap kondisi pengujian. Semakin tinggi perubahantemperatur tersebut, maka besar kerja yangdihasilkan akan semakin besar. Pada kasus iniperubahan temperatur minimum idle < approach idle< maximum continuous < take off. Kerja yangdihasilkan oleh turbin dibagi menjadi dua, yangpertama digunakan sebagai pemutar kompresorsedangkan selebihnya disalurkan ke nosel, pada noselkecepatan fluidanya dinaikkan sehinggamenghasilkan gaya dorong.

Gambar 13 Pembagian kerja yang digunakan untukmemutar kompresor [3]

0100200300400500600700

Minimum Idle Approach Idle Maximum

C ontinuous

Take Off

K ondisi

Qo

ut

(Kj/

Kg

)

Qaktual Qideal

Gambar 14 Grafik Perbandingan energi yang dikeluarkanterhadap kondisi pengujian

”Gambar (14)” adalah grafik yang menunjukkanperbandingan besar energi keluar pada kondisi aktualdan ideal yang terjadi pada exhaust nozzle.

Nilai energi yang keluar dari sistim turbin gas inidipengaruhi oleh perbedaan temperatur masuk dantemperatur keluar sistim turbin gas. Dilihat dari”Gambar (14)”, terjadi perubahan nilai energi yangdikeluarkan ada sedikit penurunan pada approachidle dari kondisi pengujian sebelumnya. Fenomenaini disebabkan sistim pendingin pada turbin mulaibekerja dengan baik sehingga terjadi penurunantemperatur pada gas yang keluar dari HPT, untuklebih jelasnya dapat dilihat pada ”Gambar (15)”.Dengan demikian, sudah jelas bahwa denganturunnya temperatur pada approach idle maka energiyang keluar akan menurun juga.

0200400600800

10001200140016001800

udara

mas uk

F an

udara

mas uk

B os ter

udara

mas uk

HP C

udara

mas uk

C C

gas

keluar

C C

gas

keluar

HP T

gas

keluar

L P T

gas

keluar

Nos el

P osisi

Te

mp

era

tur

(K)

Minimun Idle A pproac h Idle Maximum C ontinuous Take O ff

Gambar 15 Grafik Perubahan temperatur dengan berbagaikondisi

K ondis i

01020304050

Minimum Idle Approach Idle Maximum

C ontinuous

Take Off

K ondisi

Efi

sie

ns

iT

erm

al

sik

lus

(%)

aktual ideal

Gambar 16 Grafik Perbandingan efisiensi termal siklusterhadap kondisi pengujian

Semakin tinggi selisih antara energi masuk danenergi keluar yang dihasilkan sistim maka nilaiefisiensi termal yang dihasilkan akan semakin tinggi.Dilihat dari ”Gambar (16)” dapat disimpulkan bahwaterjadi kenaikan efisiensi pada setiap kondisipengujian. Oleh karena itu salah satu cara untukmeningkatkan efisiensi termal dari sistim ini adalahdengan cara meningkatkan energi yang masuk danmenurunkan energi keluar sistim.

Jurnal Teknik Mesin Vol. 8, No. 2, Desember 2011 ISSN 1829-8958

82

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Minimum Idle A pproach Idle Maximum

C ontinuous

Take Off

K ondisi

Ga

ya

do

ron

g(l

b)

aktual ideal

Gambar 17 Grafik Perbandingan gaya dorong energi yangdikeluarkan terhadap kondisi pengujian

Gaya dorong yang terjadi pada engine ini diperolehdari dua buah nosel yang terdiri dari nosel dingin dannosel panas. Gaya dorong yang terjadi sangatdipengaruhi oleh massa aliran udara yang melaluinosel dan kecepatan gas yang keluar dari nosel.Artinya, semakin banyak massa aliran udara dantingginya kecepatan yang melalui nosel, maka gayadorong yang dihasilkan akan semakin besar danbegitu juga sebaliknya. ”Gambar (17)” menunjukkanadanya kenaikan gaya dorong pada tahap-tahappengujian.

5. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari pengujian yang telah dilakukan dapat diambilkesimpulan:

1. Engine Turbofan CFM56-3 digunakan utukdapat menghasilkan thrust (gaya dorong) padapesawat

2. Dari hasil pengujian dan perhitungan yangdiperoleh, penulis mendapatkan selisih efisiensitermal sebesar 9.59 % pada kondisi take off

3. Penurunan efisiensi termal pada engine CFM56-3 antara lain disebabkan :

Pengaruh perubahan dimensi akibat materialyang bergesekan

Pengaruh kondisi lingkungan sekitar

5.2. Saran

Dari hasil pengujian dan analisis yang telahdilakukan, adapun saran-saran yang dapat diberikanadalah:

1. Dengan selisih efisiensi termal sebesar 9.59%,artinya efisiensi masih dapat ditingkatkandengan semaksimal mungkin mengembalikandimensi komponen pada kondisi seharusnya

2. Untuk meningkatkan gaya dorong hendaknyadiperhatikan aliran massa udara yang melaluiengine khususnya pada bypass menuju coldnozzle karena hal ini dapat memberikankontribusi besar untuk menghasilkan gayadorong tanpa proses pembakaran langsung.

3. Memaksimalkan cooling system sehinggatemperatur ruang bakar dapat dinaikkan

4. Hendaknya diadakan penelitian lanjutanmengenai turbin gas umumnya dan enginepropulsi pada khususnya

PUSTAKA

1. Arismunandar, Wiranto, Pengantar TurbinGas dan Motor Propulsi, Penerbit ITB,Bandung, 2000.

2. CFM International, CFM56-3 Basic EngineTraining Manual, CFM International, 1995.

3. Cengel, Yusuf A, Thermodynamics: AnEngineering Approach 5th ed, Mc Graw-Hill,USA, 1994.

4. Cohen, Roger, Saravanamuttoo, Gas TurbineTheory 2nd ed. The Chauser Press, London, 1978.

5. Farooq Saeed, Aero-Thermodynamics Of Turbomachinery For Jet Propulsion, 2004.www.google.com. 18 Agustus 2008.