Unidad de potencia auxiliar
Fuente de energía alternativa para vehículos
Una APU Honeywell GTCP36 montada en la cola de un avión comercial
El escape de la APU en el cono de cola de un Airbus A380

Una unidad de potencia auxiliar ( APU ) es un dispositivo en un vehículo que proporciona energía para funciones distintas a la propulsión . Se encuentran comúnmente en grandes aeronaves y buques de guerra, así como en algunos vehículos terrestres grandes. Las APU de aeronaves generalmente producen un voltaje de 115  V CA a 400  Hz (en lugar de 50/60 Hz en el suministro de red), para hacer funcionar los sistemas eléctricos de la aeronave; otras pueden producir un voltaje de 28 V CC . [1] Las APU pueden proporcionar energía a través de sistemas monofásicos o trifásicos .

Aviones de transporte

Historia

El desviador de admisión del Jumo 004, con manija de arranque con cordón para APU Riedel y sus puertos de acceso a bujías
El motor de dos tiempos Riedel utilizado como ejemplo pionero de una APU para hacer girar el eje central de los motores a reacción alemanes BMW 003 y Junkers Jumo 004 de la Segunda Guerra Mundial (se muestra la variante con arranque por cordón).
La APU Riedel instalada en un motor a reacción BMW 003 conservado (variante de arranque eléctrico mostrada).

Durante la Primera Guerra Mundial , los dirigibles británicos de la clase Coastal , uno de los varios tipos de dirigibles operados por la Marina Real , llevaban un motor auxiliar ABC de 1,75 caballos de fuerza (1,30 kW) . Estos alimentaban un generador para el transmisor de radio de la nave y, en caso de emergencia, podían alimentar un soplador de aire auxiliar. [Nota 1] [2] Uno de los primeros aviones militares de ala fija en utilizar una APU fue el británico Supermarine Nighthawk de la Primera Guerra Mundial, un caza nocturno anti-Zeppelin . [3]

Durante la Segunda Guerra Mundial , varios aviones militares estadounidenses de gran tamaño fueron equipados con APU. Estos eran conocidos típicamente como putt-putts , incluso en los documentos oficiales de entrenamiento. El putt-putt en el bombardero B-29 Superfortress estaba instalado en la sección no presurizada en la parte trasera del avión. Se utilizaron varios modelos de motores de cuatro tiempos, Flat-twin o V-twin . El motor de 7 caballos de fuerza (5,2 kW) impulsaba un generador de CC P2 , con una potencia nominal de 28,5 voltios y 200 amperios (varios de los mismos generadores P2 , impulsados ​​por los motores principales , eran la fuente de energía de CC del B-29 en vuelo). El putt-putt proporcionaba energía para arrancar los motores principales y se usaba después del despegue a una altura de 10.000 pies (3.000 m). El putt-putt se reiniciaba cuando el B-29 descendía para aterrizar. [4]

Algunos modelos del B-24 Liberator tenían un putt-putt instalado en la parte delantera del avión, dentro del compartimento de la rueda de morro. [5] Algunos modelos del avión de transporte Douglas C-47 Skytrain llevaban un putt-putt debajo del piso de la cabina. [6]

Como APU de "arranque" mecánico para motores a reacción

Los primeros motores a reacción alemanes construidos durante la Segunda Guerra Mundial utilizaban un sistema de arranque mecánico APU diseñado por el ingeniero alemán Norbert Riedel . Consistía en un motor bóxer de dos tiempos de 10 caballos de fuerza (7,5 kW) , que para el diseño del Junkers Jumo 004 estaba oculto en el desviador de admisión, funcionando esencialmente como un ejemplo pionero de una unidad de potencia auxiliar para arrancar un motor a reacción. Un orificio en el extremo delantero del desviador contenía una manija de tracción manual que ponía en marcha el motor de pistón, que a su vez hacía girar el compresor. En el desviador de admisión del Jumo 004 existían dos puertos de acceso a bujías para dar servicio a los cilindros de la unidad Riedel in situ, con fines de mantenimiento. En la admisión anular se instalaron dos pequeños tanques de "premezcla" para el combustible de gasolina/ aceite de Riedel. El motor se consideraba un diseño de carrera extremadamente corta (diámetro / carrera: 70 mm / 35 mm = 2: 1) para que pudiera encajar dentro del desviador de admisión de motores a reacción como el Jumo 004. Para la reducción tenía un engranaje planetario integrado . Fue producido por Victoria en Nuremberg y sirvió como un arrancador mecánico de estilo APU para los tres diseños de motores a reacción alemanes que llegaron al menos a la etapa de prototipo antes de mayo de 1945: el Junkers Jumo 004 , el BMW 003 (que parece utilizar de manera única un arrancador eléctrico para el Riedel APU), [7] y los prototipos (19 construidos) del motor Heinkel HeS 011 más avanzado , que lo montó justo encima del conducto de admisión en la chapa metálica fabricada por Heinkel de la nariz de la góndola del motor. [8]

El Boeing 727 de 1963 fue el primer avión de pasajeros que incorporó una unidad auxiliar de potencia (APU) con turbina de gas , lo que le permitió operar en aeropuertos más pequeños, independientemente de las instalaciones terrestres. La APU se puede identificar en muchos aviones de pasajeros modernos por un tubo de escape en la cola del avión. [9]

Secciones

Una APU de turbina de gas típica para aviones de transporte comercial consta de tres secciones principales:

Sección de potencia

La sección de potencia es la parte del motor que genera el gas y produce toda la potencia del eje para la APU. [10] En esta sección del motor, el aire y el combustible se mezclan, se comprimen y se encienden para crear gases calientes y en expansión. Este gas es muy energético y se utiliza para hacer girar la turbina, que a su vez alimenta otras secciones del motor, como cajas de cambios auxiliares, bombas, generadores eléctricos y, en el caso de un motor con turboventilador, el ventilador principal. [11]

Sección del compresor de carga

El compresor de carga es generalmente un compresor montado en el eje que proporciona potencia neumática a la aeronave, aunque algunas APU extraen aire de purga del compresor de la sección de potencia. Hay dos dispositivos accionados para ayudar a controlar el flujo de aire: los álabes guía de entrada que regulan el flujo de aire al compresor de carga y la válvula de control de sobretensión que mantiene el funcionamiento estable o sin sobretensiones de la máquina turbo. [10]

Sección de caja de cambios

La caja de cambios transfiere potencia desde el eje principal del motor a un generador refrigerado por aceite para generar energía eléctrica. Dentro de la caja de cambios, la energía también se transfiere a los accesorios del motor, como la unidad de control de combustible, el módulo de lubricación y el ventilador de refrigeración. También hay un motor de arranque conectado a través del tren de engranajes para realizar la función de arranque de la APU. Algunos diseños de APU utilizan una combinación de motor de arranque y generador para el arranque de la APU y la generación de energía eléctrica para reducir la complejidad.

En el Boeing 787 , un avión que depende en mayor medida de sus sistemas eléctricos, la APU suministra únicamente electricidad al avión. La ausencia de un sistema neumático simplifica el diseño, pero la alta demanda de electricidad requiere generadores más pesados. [12] [13]

Se están investigando las APU de celdas de combustible de óxido sólido ( SOFC ) a bordo. [14]

Fabricantes

El mercado de unidades de potencia auxiliares está dominado por Honeywell , seguido de Pratt & Whitney , Motorsich y otros fabricantes como PBS Velká Bíteš , Safran Power Units , Aerosila y Klimov . Los fabricantes locales incluyen Bet Shemesh Engines y Hanwha Aerospace . La participación de mercado en 2018 varió según las plataformas de aplicación: [15]

  • Grandes aviones comerciales: Honeywell 70–80%, Pratt & Whitney 20–30%, otros 0–5%
  • Aviones regionales: Pratt & Whitney 50–60%, Honeywell 40–50%, otros 0–5%
  • Aviones comerciales: Honeywell 90-100%, otros 0-5%
  • Helicópteros: Pratt & Whitney 40–50%, Motorsich 40–50%, Honeywell 5–10%, Safran Power Units 5–10%, otros 0–5%

El 4 de junio de 2018, Boeing y Safran anunciaron su asociación 50-50 para diseñar, construir y dar servicio a las APU después de la aprobación regulatoria y antimonopolio en la segunda mitad de 2018. [16] Boeing produjo varios cientos de pequeños turboejes T50 / T60 y sus derivados a principios de la década de 1960. Safran produce APU para helicópteros y aviones comerciales , pero dejó de fabricar las APU grandes desde que Labinal salió de la empresa conjunta APIC con Sundstrand en 1996. [17]

Esto podría amenazar el dominio de Honeywell y United Technologies . [18] Honeywell tiene una participación del 65% del mercado de APU para aviones de línea principal y es el único proveedor del Airbus A350 , el Boeing 777 y todos los aviones de pasillo único : el Boeing 737 MAX , Airbus A220 (anteriormente Bombardier CSeries), Comac C919 , Irkut MC-21 y Airbus A320neo desde que Airbus eliminó la opción P&WC APS3200 . P&WC reclama el 35% restante con el Airbus A380 , Boeing 787 y Boeing 747-8 . [17]

La empresa conjunta Boeing/Safran debería tardar al menos una década en alcanzar los 100 millones de dólares en ingresos por servicios. En 2017, el mercado de producción valía 800 millones de dólares (88% civil y 12% militar), mientras que el mercado de MRO valía 2.400 millones de dólares, repartidos equitativamente entre civiles y militares. [19]

Astronave

Las APU del transbordador espacial proporcionaban presión hidráulica . El transbordador espacial tenía tres APU redundantes , alimentadas por combustible de hidracina . Solo se activaban para el ascenso, el reingreso y el aterrizaje. Durante el ascenso, las APU proporcionaban energía hidráulica para el cardán de los tres motores del transbordador y el control de sus válvulas grandes, y para el movimiento de las superficies de control . Durante el aterrizaje, movían las superficies de control, bajaban las ruedas y alimentaban los frenos y la dirección de las ruedas delanteras. El aterrizaje podía lograrse con solo una APU en funcionamiento. [20] En los primeros años del transbordador hubo problemas con la confiabilidad de las APU, con fallas en tres de las primeras nueve misiones del transbordador. [Nota 2]

Vehículos blindados

En algunos tanques se instalan unidades de potencia auxiliares para proporcionar energía eléctrica sin el alto consumo de combustible y la gran señal infrarroja del motor principal. Ya en la Segunda Guerra Mundial, el M4 Sherman estadounidense tenía una pequeña unidad de potencia auxiliar alimentada por un motor de pistón para cargar las baterías del tanque, una característica que no tenía el tanque T-34 de producción soviética . [25]

Vehículos comerciales

Un semirremolque o vagón de tren para alimentos refrigerados o congelados puede estar equipado con una APU independiente y un tanque de combustible para mantener bajas temperaturas durante el transporte, sin necesidad de una fuente de energía externa suministrada por el transporte. [ cita requerida ] [26]

En algunos equipos con motor diésel más antiguos, se utilizaba un pequeño motor de gasolina (a menudo llamado "motor pony") en lugar de un motor eléctrico para poner en marcha el motor principal. El recorrido de escape del motor pony se organizaba normalmente de forma que calentara el colector de admisión del diésel, para facilitar el arranque en climas más fríos. Estos se utilizaban principalmente en grandes equipos de construcción. [27] [28]

Pilas de combustible

En los últimos años, los fabricantes de camiones y de celdas de combustible se han asociado para crear, probar y demostrar una APU de celda de combustible que elimina casi todas las emisiones [29] y utiliza el combustible diésel de manera más eficiente. [30] En 2008, una asociación patrocinada por el DOE entre Delphi Electronics y Peterbilt demostró que una celda de combustible podría proporcionar energía a la electrónica y al aire acondicionado de un Peterbilt Modelo 386 en condiciones simuladas de "ralentí" durante diez horas. [31] Delphi ha dicho que el sistema de 5 kW para camiones Clase 8 se lanzará en 2012, [ necesita actualización ] a un precio de $8000–9000 que sería competitivo con otras APU diésel de dos cilindros de "rango medio", si pudieran cumplir con esos plazos y estimaciones de costos. [30]

Véase también

Notas

  1. ^ Para mantener inflados los balones de la aeronave y conservar así la estructura de la bolsa de gas, se necesitaba un suministro continuo de aire presurizado . En vuelo normal, este aire se recogía de la corriente de aire de la hélice mediante una toma de aire.
  2. ^ Primeros fallos en la APU del transbordador:
    • STS-2 (noviembre de 1981): durante una espera en la plataforma de lanzamiento, se detectaron altas presiones de aceite en dos de las tres APU. Fue necesario limpiar las cajas de engranajes y reemplazar los filtros, lo que obligó a reprogramar el lanzamiento. [21]
    • STS-3 (marzo de 1982): una APU se sobrecalentó durante el ascenso y tuvo que ser apagada, aunque luego funcionó correctamente durante el reingreso y el aterrizaje. [22] [23]
    • STS-9 (noviembre-diciembre de 1983): durante el aterrizaje, dos de las tres APU se incendiaron. [24]

Referencias

  1. ^ "Sistemas eléctricos de 400 Hz". Pregúntele a un científico de cohetes . Aerospaceweb.org.
  2. ^ Abbott, Patrick (1989). El dirigible británico en la guerra, 1914-1918 . Terence Dalton. pág. 57. ISBN 0861380738.
  3. ^ Andrews y Morgan 1987, pág. 21.
  4. ^ Wolf, William (2005). Boeing B-29 Superfortress: el aspecto definitivo: desde la mesa de dibujo hasta el Día de la Victoria sobre Japón . Schiffer. pág. 205. ISBN 0764322575.
  5. ^ Livingstone, Bob (1998). Bajo la Cruz del Sur: el B-24 Liberator en el Pacífico Sur . Turner Publishing Company. pág. 162. ISBN 1563114321.
  6. ^ Ethell, Jeffrey; Downie, Don (2004). Volando por la joroba: en el color original de la Segunda Guerra Mundial . Editorial Zenith. pág. 84. ISBN 0760319154.
  7. ^ Schulte, Rudolph C. (1946). "Análisis de diseño del turborreactor BMW 003 - "Arranque del motor"". legendsintheirowntime.com . Fuerza Aérea del Ejército de los Estados Unidos - Desarrollos de turborreactores y turbinas Gus, HQ, AAF. Archivado del original el 29 de septiembre de 2018 . Consultado el 3 de septiembre de 2016 . El procedimiento de arranque es el siguiente: el motor de arranque se ceba cerrando el interruptor de cebador eléctrico, luego se encienden el encendido del turborreactor y el motor de encendido y arranque eléctrico del motor Riedel (este motor también se puede arrancar manualmente tirando de un cable). Una vez que la unidad Riedel ha alcanzado una velocidad de aproximadamente 300 rpm, acopla automáticamente el eje del compresor del turborreactor. A aproximadamente 800 rpm del motor de arranque, se enciende la bomba de combustible de arranque y, a 1200 rpm, se enciende el combustible principal (J-2). El motor de arranque se mantiene activado hasta que el turborreactor alcanza las 2000 rpm, momento en el que se apagan el motor de arranque y el combustible de arranque, y el turborreactor acelera rápidamente hasta la velocidad nominal de 9500 rpm con el combustible J-2.
  8. ^ Gunston 1997, pág. 141.
  9. ^ Vanhoenacker, Mark (5 de febrero de 2015). "¿Qué es ese agujero en la cola de un avión?". Slate . Consultado el 20 de octubre de 2016 .
  10. ^ ab "La APU y sus beneficios | AERTEC Solutions". www.aertecsolutions.com . 10 de mayo de 2015. Archivado desde el original el 2018-06-20 . Consultado el 2018-06-20 .
  11. ^ "Motores turborreactores". www.grc.nasa.gov . Consultado el 20 de marzo de 2022 .
  12. ^ Sinnet, Mike (2007). "Ahorro de combustible y mejora de la eficiencia operativa" (PDF) . Boeing . Consultado el 17 de enero de 2013 .
  13. ^ Ogando, Joseph, ed. (4 de junio de 2007). "El Dreamliner 787 de Boeing, más eléctrico, impulsa la evolución del motor: en el 787, Boeing eliminó el aire de purga y se basó en gran medida en generadores de arranque eléctricos". Design News . Archivado desde el original el 6 de abril de 2012. Consultado el 9 de septiembre de 2011 .
  14. ^ Spenser, Jay (julio de 2004). «Pilas de combustible en el aire». Boeing Frontiers . 3 (3).
  15. ^ «Asunto M.8858 – Boeing/Safran/JV (Unidades de potencia auxiliares), Decisión de la Comisión con arreglo al artículo 6(1)(b) del Reglamento (CE) n.º 139/2004 del Consejo y al artículo 57 del Acuerdo sobre el Espacio Económico Europeo». EUR-Lex . Comisión Europea. 27 de septiembre de 2018. p. 14 . Consultado el 11 de agosto de 2022 .
  16. ^ "Boeing y Safran acuerdan diseñar, construir y dar servicio a unidades de potencia auxiliares". Safran (nota de prensa). 4 de junio de 2018. Archivado desde el original el 17 de junio de 2018.
  17. ^ de Stephen Trimble (5 de junio de 2018). "¿Cómo afectará la alianza Boeing-Safran a las APU?". Flightglobal .
  18. ^ Stephen Trimble (4 de junio de 2018). "Boeing y Safran se asocian para revolucionar el mercado de las APU". Flightglobal .
  19. ^ Kevin Michaels (27 de junio de 2018). "Opinión: ¿Por qué Boeing se está lanzando a la producción de APU?". Aviation Week & Space Technology .
  20. ^ "Sistema hidráulico". spaceflight.nasa.gov . NASA. Archivado desde el original el 2 de junio de 2001 . Consultado el 8 de febrero de 2016 .
  21. ^ "Archivos de la misión del transbordador espacial STS-2". www.nasa.gov . NASA . Consultado el 18 de febrero de 2016 .
  22. ^ "Archivos de la misión del transbordador espacial STS-3". www.nasa.gov . NASA . Consultado el 18 de febrero de 2016 .
  23. ^ Lousma, Jack R. (15 de marzo de 2010). "Transcripción de la historia oral editada por Jack R. Lousma". Proyecto de historia oral del Centro Espacial Johnson de la NASA (entrevista). Entrevista realizada por Ross-Nazzal, Jennifer . Consultado el 18 de febrero de 2016 .
  24. ^ "Archivos de la misión del transbordador espacial STS-9". www.nasa.gov . NASA . Consultado el 18 de febrero de 2016 .
  25. ^ Loza, Dimitri (21 de septiembre de 2010). "IRemember.ru Memorias de la Segunda Guerra Mundial". iremember.ru/en . IRemember . Consultado el 13 de junio de 2017 . Una de las grandes ventajas del Sherman era la carga de sus baterías. En nuestro T-34 era necesario hacer funcionar el motor, con sus 500 caballos de potencia, para cargar las baterías. En el compartimento de la tripulación del Sherman había un motor de gasolina auxiliar, pequeño como el de una motocicleta. Lo encendíamos y cargaba las baterías. ¡Esto era algo muy importante para nosotros!
  26. ^ "Exenciones de peso del vehículo para APU".
  27. ^ Orlemann, Eric. Caterpillar Chronicle: Historia de las mejores excavadoras . p. 35. ISBN 9781610605779.
  28. ^ "Willard v. Caterpillar, Inc. (1995)". Justia Law . Consultado el 13 de diciembre de 2016 .
  29. ^ Broderick, Christie-Joy; Timothy Lipman; Mohammad Farshchi; Nicholas Lutsey; Harry Dwyer; Daniel Sperling; William Gouse; Bruce Harris; Foy King (2002). "Evaluation of Fuel Cell Auxiliary Power Units for Heavy-Duty Diesel Trucks" (PDF) . Transportation Research Part D . Elsevier Sciences Ltd. pp. 303–315. Archivado desde el original (PDF) el 2012-04-03 . Consultado el 2011-09-27 .
  30. ^ ab Weissler, Paul (12 de mayo de 2010). "Delphi truck fuel-cell APU to hit road in 2012" (La APU de pila de combustible para camiones de Delphi llegará a las carreteras en 2012). Vehicle Electrification (Electrificación de vehículos ) . Consultado el 27 de septiembre de 2011. Delphi afirma que lanzará al mercado una APU de 5 kW en 2012.
  31. ^ Jacobs, Mike (19 de marzo de 2009). "La pila de combustible de óxido sólido alimenta con éxito la cabina y el dormitorio de un camión en una prueba patrocinada por el DOE". NETL: Comunicado de prensa . Laboratorio Nacional de Tecnología Energética . Consultado el 27 de septiembre de 2011 .
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Unidades de potencia auxiliares .
  • "APU del transbordador espacial"
  • "Sonido de una APU desde el interior de la cabina de un Boeing 737"
  • El motor de arranque Riedel En: Messerschmitt Me 262B en detalle; el fuselaje, los motores y la cabina
  • Vídeo de YouTube del motor a reacción Junkers Jumo 004 restaurado, en marcha con una APU Riedel "integral", de septiembre de 2019
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