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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 aviones y barcos de guerra, así como en algunos vehículos terrestres grandes. Las APU de las aeronaves generalmente producen un voltaje de 115 V CA a 400 Hz (en lugar de 50/60 Hz en la red eléctrica) para hacer funcionar los sistemas eléctricos de la aeronave; otros pueden producir un voltaje de 28 V CC . [1] Las APU pueden proporcionar energía a través de sistemas monofásicos o trifásicos .
Durante la Primera Guerra Mundial , los dirigibles británicos de la clase Coastal , uno de los varios tipos de dirigibles operados por la Royal Navy , 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 grandes aviones militares estadounidenses fueron equipados con APU. Estos se conocían típicamente como putt-putts , incluso en los documentos oficiales de formación. El putt-putt del bombardero B-29 Superfortress estaba instalado en la sección sin presión de 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 utilizaba después del despegue a una altura de 10.000 pies (3.000 m). El putt-putt se reinició cuando el B-29 descendía a tierra. [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]
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 y 10 caballos de fuerza (7,5 kW) , que en el diseño del Junkers Jumo 004 estaba oculto en el desviador de admisión, funcionando esencialmente como un ejemplo pionero de unidad de potencia auxiliar para arrancar un motor a reacción. Un orificio en el extremo del desviador contenía un tirador manual que arrancaba el motor de pistón, que a su vez hacía girar el compresor. Existían dos puertos de acceso a bujías en el desviador de admisión del Jumo 004 para dar servicio a los cilindros de la unidad Riedel in situ, con fines de mantenimiento. En la entrada anular se instalaron dos pequeños depósitos de "premezcla" para el combustible de gasolina y aceite de Riedel. El motor se consideró un diseño de carrera extremadamente corta (diámetro/carrera: 70 mm/35 mm = 2:1) por lo que podía 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 motor de arranque mecánico 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 ser el único usar un arranque eléctrico para la APU Riedel), [7] y los prototipos (19 construidos) del motor Heinkel HeS 011 más avanzado , que lo montó justo encima del pasaje de admisión en la chapa metálica de la nariz de la góndola del motor fabricada por Heinkel. [8]
El Boeing 727 de 1963 fue el primer avión de pasajeros que contó con una APU de 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 modernos por un tubo de escape en la cola del avión. [9]
Una APU típica de turbina de gas para aviones de transporte comercial consta de tres secciones principales:
La sección de potencia es la parte del generador de gas del motor y produce toda la potencia del eje para la APU. [10] En esta sección del motor, el aire y el combustible se mezclan, comprimen y 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 turboventilador, el ventilador principal. [11]
El compresor de carga es generalmente un compresor montado en un eje que proporciona potencia neumática a la aeronave, aunque algunas APU extraen aire purgado del compresor de la sección de potencia. Hay dos dispositivos accionados para ayudar a controlar el flujo de aire: las paletas 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 libre de sobretensiones de la máquina turbo. [10]
La caja de cambios transfiere energía desde el eje principal del motor a un generador enfriado por aceite para obtener energía eléctrica. Dentro de la caja de cambios, la potencia 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 arrancador/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 más 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 pila de combustible de óxido sólido ( SOFC ) a bordo. [14]
El mercado de unidades de potencia auxiliares lo domina Honeywell , seguida 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 cuota de mercado de 2018 varió según las plataformas de aplicación: [15]
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 autorización regulatoria y antimonopolio en la segunda mitad de 2018. [16] Boeing produjo varios cientos de turboejes pequeños T50 / T60 y sus derivados en principios de los años 1960. Safran produce APU para helicópteros y aviones comerciales , pero dejó de fabricar APU de gran tamaño desde que Labinal abandonó la empresa conjunta APIC con Sundstrand en 1996. [17]
Esto podría amenazar el dominio de Honeywell y United Technologies . [18] Honeywell tiene una cuota del 65% del mercado de APU de línea principal y es el único proveedor del Airbus A350 , el Boeing 777 y todos los de pasillo único : el Boeing 737 MAX , el Airbus A220 (anteriormente Bombardier CSeries), el 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. El mercado de producción de 2017 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 civil y militar. [19]
Las APU del transbordador espacial proporcionaban presión hidráulica . El transbordador espacial tenía tres APU redundantes , propulsadas por combustible de hidracina . Sólo estaban encendidos para el ascenso, el reingreso y el aterrizaje. Durante el ascenso, las APU proporcionaron energía hidráulica para girar los tres motores del Shuttle y controlar sus grandes válvulas, y para el movimiento de las superficies de control . Durante el aterrizaje, movieron las superficies de control, bajaron las ruedas y accionaron los frenos y la dirección de la rueda delantera. El aterrizaje podría lograrse con una sola APU en funcionamiento. [20] En los primeros años del Shuttle hubo problemas con la confiabilidad de la APU, con fallas en tres de las primeras nueve misiones del Shuttle. [Nota 2]
Se instalan APU en algunos tanques para proporcionar energía eléctrica sin el alto consumo de combustible y la gran firma infrarroja del motor principal. Ya en la Segunda Guerra Mundial, el M4 Sherman estadounidense tenía una pequeña APU propulsada por un motor de pistón para cargar las baterías del tanque, una característica que el tanque T-34 de producción soviética no tenía. [25]
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 tránsito, sin la necesidad de una fuente de energía externa suministrada por el transporte. [ cita necesaria ] [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 arrancar el motor principal. La vía de escape del motor pony normalmente estaba dispuesta de manera que calentara el colector de admisión del diésel, para facilitar el arranque en climas más fríos. Se utilizaron principalmente en equipos de construcción grandes. [27] [28]
En los últimos años, los fabricantes de camiones y pilas de combustible se han unido para crear, probar y demostrar una APU de pila de combustible que elimina casi todas las emisiones [29] y utiliza el combustible diésel de forma más eficiente. [30] En 2008, una asociación patrocinada por el DOE entre Delphi Electronics y Peterbilt demostró que una pila de combustible podía proporcionar energía a los componentes electrónicos y al aire acondicionado de un Peterbilt Modelo 386 en condiciones simuladas de "inactivo" 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", en caso de que pudieran para cumplir esos plazos y estimaciones de costos. [30]
El procedimiento de arranque es el siguiente: El motor de arranque se ceba cerrando el interruptor de cebado eléctrico, luego se enciende 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, engrana automáticamente el eje del compresor del turborreactor.
Aproximadamente a 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 2.000 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 9.500 rpm con el combustible J-2.
Una gran ventaja del Sherman fue la carga de sus baterías.
En nuestro T-34 era necesario hacer funcionar el motor, sus 500 caballos de fuerza, para cargar las baterías.
En el compartimento de la tripulación del Sherman había un motor auxiliar de gasolina, pequeño como el de una motocicleta.
Lo encendí y cargó las baterías.
¡Esto fue muy importante para nosotros!
y Delphi dice que tendrá una APU de 5 kW en el mercado en 2012.
