La unidad de potencia auxiliar

La unidad de potencia auxiliar es conocida popularmente por sus siglas APU (auxiliar power unit). Este dispositivo (una turbina de gas) proporciona al avión energía eléctrica y/o aire de sangrado para muchas funciones diferentes, pero no está diseñado para propulsar la aeronave.

Cuando se usa para la producción de corriente alterna en la aeronave, la salida es de 115 V a 400 Hz que es la corriente que se utiliza en los aviones (en lugar de 50/60 Hz de la red eléctrica). Estas unidades también proporcionan aire a gran presión, puesto que el propósito principal de una unidad APU en los aviones comerciales modernos como el C-Series y el E-Jet es proporcionar aire para aorrancar los motores principales o aire acondicionado en tierra cuando los motores están parados. Los motores de turbina deben acelerarse a una velocidad de rotación muy alta para proporcionar una compresión de aire suficiente para una operación autosostenida. El APU se arranca generalmente por medio de las baterías del avión, aunque a veces se puede arrancar con un carrillo de potencia exterior. Una vez que la unidad APU está funcionando, proporciona la energía eléctrica y neumática para comenzar a poner en marcha los motores principales de la aeronave.

Alguna vez me han preguntado en clase cuanto costaría hacer un café en la cafetera del avión cuando se accede a este por la mañana en invierno y el avión se encuentra "cold and dark" (apagado de la noche anterior). Si se enciende el APU para presurizar la cafetera y se utiliza también la energía eléctrica para el resto del avión durante ese tiempo en realidad no sería tan caro (algo más que en una cafetería). Un APU como el de los E-Jet consume en tierra unos 2,4 kg de combustible por minuto, (volando a gran velocidad y altura este valor se puede reducir a 0,8 kg/minuto). Cada kg de queroseno digamos que se paga a unos 60 céntimos de Euro. Con un minuto (si despreciamos el coste del mantenimiento asociado) sería suficiente para presurizar la cafetera del Galley. Incluso mejor, pues la cafetera una vez presurizada ya puede usarse para vender más tazas de café a bordo :)

Constructores

La primera unidad de este tipo funcionaba con gasolina en vez del mismo queroseno que alimenta al avión. Se montó en un Noel Pemberton Billing P.B.31 Nighthawk de 1916. El Boeing 727 de 1963 fue el primer reactor en incorporar una APU, permitiéndole operar en pequeños aeropuertos independientemente de las instalaciones con las que éstos contasen. Aunque las APU se montan en diferentes lugares de los aviones tanto civiles como militares, normalmente se sitúan en la cola de los reactores comerciales modernos. La salida de gases puede verse en la mayoría de los aviones comerciales modernos como un pequeño tubo saliente en la cola.

Existen dos líderes mundiales cuando se trata de APU's. Uno de ellos es Hamilton Sundstrand, que equipa a los Embraer E-Jet (APS2000) y al Boeing 787 Dreamliner (APS5000) entre muchos otros aviones. El otro gran fabricante de APU´s es Honeywell, Con más de 100.000 APU´s producidos y más de 36.000 en servicio hoy en día. Honeywell tiene una larga historia como fabricante de unidades de potencia auxiliar, no en vano esta casa produjo la primera turbina de gas APU en 1948. La familia de APU´s 131-9 ha sido muy prolífica y ya ha registrado más de 100 millones de horas de servicio.

Una de las unidades de potencia auxiliar más exitosas es el modelo 131-9D, diseñada inicialmente para el Boeing MD-90, rápidamente se ganó la confianza de los operadores y se convirtió en equipo estándar en todos los aviones de la familia Boeing B737NG, así como en muchas líneas aéreas que operan la familia Airbus A320. También ha sido la elección para nuestro Bombardier C-Series. El 131-9D introdujo una turbina axial de dos etapas para prolongar la vida útil del motor y un solo arrancador/generador que utiliza energía eléctrica para arrancar la APU. Este luego se convierte en generador una vez que la unidad está en marcha.

El APU en el E-Jet

La unidad de potencia auxiliar se encuentra instalada en el cono de cola. El avión se encuentra protegido por una pared metálica (firewall) que actúa a modo de cortafuego y cumple con los requisitos de la norma ISO 2685. De esta forma se puede dejar que el APU opere en vuelo incluso en caso de fuego.

El combustible para el APU proviene normalmente del tanque número 2, pero se puede transferir combustible desde el número 1 a través de la válvula de alimentación cruzada. Para poder arrancar el APU se debe de energizar la bomba de combustible que funciona con corriente continua (DC ESS 2). La unidad APU puede servirnos como fuente de aire para aire para cualquier propósito excepto para antihielo. El APU también es un generador de corriente alterna que produce hasta 40 KVa. La puesta en marcha y el control del APU se realizan por medio del selector (1) en el panel superior que se puede ver en la ilustración que sigue.

La indicación del botón de parada en emergencia (2) se iluminará para indicar que el botón está pulsado. Se cierra la válvula del combustible. No pulsado (PUSH OUT) es la posición normal con la válvula de combustible abierta. En caso de fuego la parte superior del botón se iluminará con una luz roja.

El APU desarrolla una potencia de unos 600 CV y está formado por dos turbinas axiales que tienen velocidad constante. Estas mueven un compresor centrífugo a través de un eje solidario. La caja de engranajes es movida por el mismo eje reduciendo la velocidad con el fin de que se le pueda acoplar un generador de corriente alterna con su propia bomba de aceite para enfriarlo. El generador desarrolla un total de 40 kVA en 3 fases. El encendido del APU se realiza de forma eléctrica con un STARTER que mueve compresor y turbinas. Dos termopares se encuentran instalados en la salida de gases con el fin de que el FADEC pueda obtener información de la temperatura. La operación de encendido es completamente automática cuando llevamos al selector (1) a la posición START. Esto sucede de la siguiente manera:

• 7% - El FADEC energiza los IGNITERS (Bujías de encendido). (28 Volts DC)
• 55% - Se corta la ignición del encendido.

El FADEC del APU se encarga de monitorizar las operaciones y envía señales al CMC en caso de encontrar fallos en el sistema. El FADEC se encuentra alojado en el compartimento de aviónica trasero y esta totalmente aislado del APU por una pared cortafuegos de aleación metálica que protege al resto del avión de un posible incendio en el cono del APU.

El FADEC se encarga de lo siguiente:

• Controla el proceso de encendido y apagado
• Monitoriza los parámetros del APU
• Apaga el APU en caso de que se detecte un fallo de acuerdo a la lógica interna
• Provee de parámetros de temperatura y velocidad a las MAU
• Provee de información al piloto a través del EICAS.

Los ciclos de encendido del APU son los siguientes:

• Primer a segundo ciclo: 60 segundos ON, 60 segundos OFF
• Tercer ciclo: 60 segundos ON, 5 minutos OFF

La operación del APU está limitada a 33000 pies y el arranque a los 30000 pies. Se puede usar aire de sangrado para arrancar un motor hasta los 21000 pies y aire acondicionado hasta los 15000 pies.

Nota: Para poder encender el APU son necesarias las dos baterías principales. La batería numero 2 aísla el bus de encendido de acuerdo con la lógica interna y la batería numero 1 es necesaria para energizar el FADEC del APU. No serviría de nada intentar encender el APU solamente con la batería numero 2.

Es un práctica recomendable esperar a que el FADEC del APU realice un BIT inicial. Para ello solo debemos dejar el interruptor del APU en la posición ON durante unos segundos hasta que las líneas ámbar se transforman en números. Esto indica que el BIT ha terminado con éxito. Después se puede pasar a la posición START. Si existiera algún problema relacionado con el APU este se mostraría en el área CAS del EICAS. El APU no genera ningún aviso tipo WARNING a excepción del fuego. Los únicos mensajes relacionados con el APU son ámbar (CAUTION), cyan (ADVISORIES) y blancos (STATUS).

Si el APU es la única fuente de energía eléctrica en el avión al apagar este seguirá proporcionando energía eléctrica hasta que no pueda generar más debido a las pocas vueltas del motor. Si existe otra fuente de energía eléctrica entonces el APU se desconecta inmediatamente del sistema de la corriente eléctrica. Ver lógica en el sistema de corriente. El consumo de combustible del APU se puede considerar moderado, pero depende de las condiciones de uso. En el suelo, con el avión parado el consumo del APU puede llegar a los 2.4 Kg/min., esto es, produciendo 40 kVA de electricidad y máxima cantidad de sangrado de aire, lo que representa 144 Kg cada hora.

El APU, como cualquier otro motor de turbina, se comportará de forma más económica cuanto más alto se vuele. La altura ideal teórica sería la tropopausa (11 Km.), ya que en este punto la temperatura es minima y el decremento de presión no afecta significativamente. En realidad el APU tiene un techo máximo operativo de 33000 pies por razones de seguridad. En estas condiciones se puede esperar un consumo de menos de 1 Kg/min. incluso produciendo máxima energía eléctrica. A continuación se muestran los gráficos del EICAS y la alimentación de combustible.

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Una unidad de potencia auxiliar (APU) es un dispositivo que proporciona energía para tres funciones que no son la propulsión:

1. Energía hiráulica
2. Eléctrica
3. Aire de sangrado

Energía eléctrica: Las APU de las aeronaves generalmente producen una corriente alterna (CA) de 115 V y 400 Hz (en lugar de 50/60 Hz en la red eléctrica), para hacer funcionar los sistemas eléctricos de la aeronave cuando no se dispone de otra fuente.

El primer avión reactor que incorporó una de estas unidades fue el Boeing 727 en 1963. Con este dispositivo el 727 podía ser independiente de sistemas de tierra, pudiendo operar en pequeños aeropuertos aunque no contaran con corriente  eléctrica o aire para el arranque de motores.

Esta turbina que se muestra arriba equipaba los Boeing 727-100 y los 727-200 en 1965. Se utilizaba cuando los motores del avión no estaban funcionando. Esta turbina incorporaba un estarter, un generador, un sistema de inyección de combustible y una válvula de aire de sangrado. El generador puede proveer de corriente eléctrica a todos los sistemas del avión. El aire de sangrado puede suministrar el volumen suficiente para que los paquetes de aire acondicionado funcionen sin problemas en tierra. El precio de esta unidad en 1965 era de 67.000 dólares. 

Arranque de las APU

Estos dispositivos en realidad son pequeños motores a reacción. Al ser lo suficientemente pequeños, pueden ser arrancados eléctricamente. Por lo tanto, estas unidades de potencia auxiliar utilizan la energía de la batería o un carro eléctrico de tierra para hacer girar su motor. El arranque es inicialmente eléctrico, y luego se introduce el combustible una vez que el motor gire lo suficientemente rápido. Es algo parecido al arranque de un motor a reacción, solo que estos últimos se mueven inicialmente con aire. Dependiendo del diseño, el motor eléctrico actuará como un generador para suministrar energía eléctrica a la aeronave o se desacoplará cuando se use un generador separado.

La APU girará una vez arrancada y este movimiento se utilizará para mover el generador eléctrico que lleva incorporado. Cuando comience la secuencia de arranque de los motores, se 'robará' algo de aire a presión de su compresor para suministrar "aire de purga" o "aire de sangrado" para el arranque del motor. Los paquetes de aire acondicionado tambien pueden ser operados con aire proveniente de la APU.

La APU de un Boeing 747-400 es tan grande como un coche utilitario y puede costar más de un millón de dólares. Las APU grandes como en el Boeing 777 tienen en realidad dos métodos de arranque: tienen un motor de arranque impulsado por aire y eléctrico. El método de operación es el siguiente: cuando la APU se inicia con los motores apagados, se utiliza la energía eléctrica de la batería o la conexión a tierra. Después del vuelo, la APU se pone en marcha antes de que se apaguen los motores principales. En ese caso, la APU se arranca accionada por aire en lugar del motor eléctrico, con aire a presión suministrado por los motores principales que aún funcionan.

Dependiendo del tamaño, la APU tardará entre 30 segundos y 2 minutos en terminar un arranque. La gran APU del 777 entregará energía eléctrica después de 2 minutos más o menos. En los E-Jet la APU entra en línea (eléctrica) cuando se alcanza el 93% de revoluciones + 3 segundos. Algo más tarde se puede utilizar la purga de aire. Esto se debe a que utilizar el aire de sangrado del compresor aumenta la temperatura de los gases de escape de la APU y lo deseable es que la APU se caliente de manera uniforme. Lo mismo puede ser aplicable para el proceso de apagado:

1.- Se cierra la válvula de purga de aire
2.- Se deja que la APU continúe funcionando durante uno o dos minutos más o menos para enfriarse.

Luego se apaga por completo. Esto reduce el estrés térmico en la unidad. En aviones modernos como el A220 (CSeries) o los E-Jet, este proceso está automatizado: se coloca el interruptor selector de APU en OFF y eso cerrará la válvula de aire de sangrado, iniciará un período de enfriamiento de 1 o 2 minutos y finalmente apagará la APU por completo. La única forma de apagarlo de inmediato es, de hecho, la utilización de alguna palanca o botón pulsador de emergencia/FIRE. En una utilización normal, se encenderá la APU mientras se está haciendo la rodadura, después del aterrizaje. Lo que se desea es que esté en funcionamiento y listo para hacerse cargo del aire acondicionado cuando esté en la puerta de atraque. Algunas APU como las que se encuentran en los CSeries tienen varias configuraciones para la extracción de aire de sangrado, dependiendo del númeo de pasajeros a bordo.

Otros usos y servicios de las APU

Para el despegue, se puede utilizar el aire de sangrado de la APU para suministrar el sistema de presión de aire de la cabina y así reducir la carga en los motores. Esta aplicación para el despegue dará lugar a una reducción significativa en la longitud de la pista requerida. Esto se usa habitualmente en pistas cortas.

El aire de sangrado de la APU para alimentar los paquetes de aire y la presurización de la cabina, ayuda significativamente a aumentar las prestaciones de la aeronave en condiciones donde se debe emplear el mayor empuje de los motores. Durante el vuelo, en caso de fallo del generador principal o en caso de fallo completo del motor, el generador de la APU puede ser utilizado para reemplazar el generador defectuoso del motor. La legislación actual indica que, en un avión con dos motores se debe utilizar el APU después de la pérdida de un motor para seguir contando con dos fuentes independientes de energía eléctrica.

Para incrementar la vida del motor: Si se usa aire de purga del APU (para presurizar la cabina/aire acondicionado) en el despegue normal, las temperaturas máximas del motor serán más bajas durante el despegue. Esto aumenta la vida útil del motor ya que la temperatura máxima del motor es el factor principal de la vida útil del motor. Es significativamente más barato reemplazar una APU que un motor. En todos los casos anteriores, existen algunas restricciones en el funcionamiento de la APU. No puede utilizarse para el aire acondicionado por encima de 15.000 pies o no se permite la operación por encima de 33.000 pies en los E-Jet de primera generación.

En caso de emergencia: Si fallaran todos los motores, el APU sería una fuente extra de energía eléctrica y también hidráulica para poder mover los controles de vuelo. Fue el caso del amerizaje en el río Hudson ;)