Unidad de potencia auxiliar

Un Honeywell GTCP36 APU montado en la cola de un jet de negocios

El escape APU en el cono 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 aviones grandes y barcos de guerra, así como en algunos vehículos terrestres grandes. Las APU de las aeronaves generalmente producen un voltaje de CA de 115 V a 400 Hz (en lugar de 50/60 Hz en el suministro principal), para hacer funcionar los sistemas eléctricos de la aeronave; otros pueden producir un voltaje de 28 V CC. Las APU pueden proporcionar energía a través de sistemas monofásicos o trifásicos.

Aviones de transporte

Historia

El desviador de toma del Jumo 004, con mango de arranque para Riedel APU y sus puertos de acceso deslumbrantes

El motor Riedel 2-fuego utilizado como el ejemplo pionero de un APU, para girar el eje central de ambos motores alemanes de la II Guerra Mundial BMW 003 y Junkers Jumo 004.

El APU Riedel instalado en un motor BMW 003 preservado, con lo que parece ser un arranque eléctrico para el APU Riedel.

Durante la Primera Guerra Mundial, los dirigibles de la clase costera británica, 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. Uno de los primeros aviones militares de ala fija en usar una APU fue el Supermarine Nighthawk británico de la Primera Guerra Mundial, un caza nocturno anti-Zeppelin.

Durante la Segunda Guerra Mundial, varios grandes aviones militares estadounidenses fueron equipados con APU. Por lo general, se los conocía como putt–putts, incluso en los documentos oficiales de capacitación. El putt-putt del bombardero B-29 Superfortress se instaló 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) impulsó un generador de CC P2 de 28,5 voltios y 200 amperios (varios de los mismos generadores P2, impulsados por los motores principales, se la fuente de alimentación de CC del B-29 en vuelo). El putt-putt proporcionó energía para arrancar los motores principales y se usó 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.

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

Como "puesta en marcha" mecánica APU para motores a reacción

Los primeros motores a reacción alemanes construidos durante la Segunda Guerra Mundial usaban un sistema de arranque APU mecánico diseñado por el ingeniero alemán Norbert Riedel. Consistía en un motor plano 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 la punta extrema del desviador contenía una manija manual que arrancaba el motor de pistón, que a su vez hacía girar el compresor. Existían dos puertos de acceso a las 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. Dos pequeños "premix" En la toma anular se instalaron tanques para el combustible de gasolina/aceite de Riedel. El motor se consideró un diseño de carrera extremadamente corta (diámetro interior/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 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 utilizan un arrancador eléctrico para la APU Riedel), y los prototipos (19 construidos) del motor Heinkel HeS 011 más avanzado, que lo montaban justo encima del conducto de admisión en la lámina de metal fabricada por Heinkel de la nariz de la góndola del motor.

El Boeing 727 de 1963 fue el primer avión de pasajeros 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.

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 generador de gas del motor y produce toda la potencia del eje para la APU. 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.

Sección del compresor de carga

El compresor de carga suele ser un compresor montado en un eje que proporciona energía neumática a la aeronave, aunque algunas APU extraen el aire sangrado del compresor de la sección de potencia. Hay dos dispositivos accionados para ayudar a controlar el flujo de aire: las paletas de guía de entrada que regulan el flujo de aire al compresor de carga y la válvula de control de picos que mantiene un funcionamiento estable o sin picos de la máquina turbo.

Sección de caja de cambios

La caja de cambios transfiere potencia desde el eje principal del motor a un generador refrigerado 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 tiene una mayor dependencia de sus sistemas eléctricos, la APU entrega solo electricidad al avión. La ausencia de un sistema neumático simplifica el diseño, pero la alta demanda de electricidad requiere generadores más pesados.

Se están investigando las APU integradas de celdas de combustible de óxido sólido (SOFC).

Fabricantes

El mercado de las unidades de potencia auxiliar 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 cuota de mercado de 2018 varió según las plataformas de aplicación:

• Gran avión comercial: Honeywell 70-80%, Pratt & Whitney 20-30%, otros 0–5%
• Aviones regionales: Pratt & Whitney 50-60%, Honeywell 40–50%, otros 0–5%
• jets de negocios: Honeywell 90-100%, otros 0–5%
• Helicopters: 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. 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 detuvo las APU grandes desde que Labinal salió de la empresa conjunta APIC con Sundstrand en 1996.

Esto podría amenazar el dominio de Honeywell y United Technologies. Honeywell tiene una participación del 65 % en el mercado de APU de líneas principales y es el único proveedor del Airbus A350, el Boeing 777 y todos los aviones de pasillo único: el Boeing 737 MAX, el Airbus A220 (antes Bombardier CSeries), el Comac C919, el 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.

Boeing/Safran JV debería tardar al menos una década en alcanzar los 100 millones de dólares en ingresos por servicios. El mercado de producción de 2017 tuvo un valor de $ 800 millones (88 % civil y 12 % militar), mientras que el mercado MRO tuvo un valor de $ 2400 millones, repartidos equitativamente entre civiles y militares.

Nave espacial

Las APU del transbordador espacial proporcionaron presión hidráulica. El transbordador espacial tenía tres APU redundantes, alimentadas con combustible de hidracina. Solo estaban encendidos para el ascenso, el reingreso y el aterrizaje. Durante el ascenso, las APU proporcionaron energía hidráulica para el cardan 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, movieron las superficies de control, bajaron las ruedas y activaron los frenos y la dirección de la rueda delantera. El aterrizaje podría lograrse con solo una APU en funcionamiento. En los primeros años del Transbordador hubo problemas con la confiabilidad de la APU, con fallas en tres de las primeras nueve misiones del Transbordador.

Vehículos blindados

Las APU están instaladas 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 impulsada por un motor de pistón para cargar las baterías del tanque, una característica que el tanque T-34 de producción soviética no tenía.

Vehículos comerciales

Un semirremolque o vagón de tren refrigerado o de alimentos congelados puede estar equipado con una APU independiente y un tanque de combustible para mantener bajas temperaturas durante el tránsito, sin necesidad de una fuente de alimentación externa suministrada para el transporte.

En algunos equipos antiguos con motor diésel, se usaba un pequeño motor de gasolina (a menudo llamado "motor pony") en lugar de un motor eléctrico para arrancar el motor principal. La ruta de escape del motor pony generalmente se disponía para calentar el colector de admisión del diesel, para facilitar el arranque en climas más fríos. Estos se utilizaron principalmente en piezas grandes de equipos de construcción.

Pilas de combustible

En los últimos años, los fabricantes de camiones y celdas de combustible se han unido para crear, probar y demostrar una APU de celda de combustible que elimina casi todas las emisiones y utiliza el combustible diésel de manera más eficiente. 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 de "ralentí" simulado. condiciones durante diez horas. Delphi ha dicho que el sistema de 5 kW para camiones Clase 8 se lanzará en 2012, a un precio de $8000–9000 que sería competitivo con otros "rango medio" APU diesel de dos cilindros, en caso de que puedan cumplir con esos plazos y estimaciones de costos.