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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 . Un arrancador de combustible para aviones (JFS) es un dispositivo similar a una APU pero conectado directamente al motor principal y arrancado por una botella de aire comprimido a bordo. [2]
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] [3] 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 . [4]
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. [5]
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. [6] Algunos modelos del avión de transporte Douglas C-47 Skytrain llevaban un putt-putt debajo del piso de la cabina. [7]
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), [8] 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. [9]
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. [10]
Una APU de turbina de gas típica para aviones de transporte comercial consta de tres secciones principales:
La sección de potencia es la parte del motor que genera el gas y produce toda la potencia del eje para la APU. [11] 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. [12]
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. [11]
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. [13] [14]
Se están investigando las APU de celdas de combustible de óxido sólido ( SOFC ) a bordo. [15]
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: [16]
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. [17] 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. [18]
Esto podría amenazar el dominio de Honeywell y United Technologies . [19] 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 . [18]
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. [20]
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. [21] 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]
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 . [26]
Un semirremolque o vagón de tren para alimentos refrigerados o congelados puede estar equipado con una unidad de potencia auxiliar (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 ] [27]
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 conducto de escape del motor pony se disponía normalmente de forma que calentara el colector de admisión del diésel, para facilitar el arranque en climas más fríos. Estos se utilizaban principalmente en equipos de construcción de gran tamaño. [28] [29]
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 [30] y utiliza el combustible diésel de manera más eficiente. [31] 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. [32] 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. [31]
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 encendido
y el motor de 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.
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!
afirma que lanzará al mercado una APU de 5 kW en 2012.
