Figura 8.1 Curvas típicas de torque de partida de uma APU

Transcrição

1 1 Capítulo 1 - SISTEMA DE PARTIDA Todas as instalações de unidades auxiliares de potência em aeronaves devem ter seu sistema próprio de partida, independente de fonte externa de energia. Desta forma, provisões devem ser feitas para que haja energia suficiente armazenada para dar partida na APU e esta suprir a energia necessária para a aeronave. Há diversos modos de se dar partida numa APU (motor elétrico, pneumático, etc.) mas neste estudo se fará referência apenas a motor elétrico de partida. Para dar partida na APU, o sistema de partida deve vencer o torque de arrasto do conjunto rotativo da APU e acelerá-lo até uma rotação em que a haja auto-sustentação de rotação. O torque a ser vencido pelo motor de arranque da APU depende de diversos parâmetros, dentre eles: condições ambientes (temperatura e pressão), viscosidade do óleo lubrificante, torques impostos pelos acessórios ligados à caixa de engrenagens, rotação em que a vela do sistema de ignição inicia a combustão, potência da APU (ligada ao seu tamanho), momento de inércia do conjunto rotativo (APU mais caixa de engrenagens e acessórios). Figura 8.1 Curvas típicas de torque de partida de uma APU A Fig. 8.1 indica diversas curvas de torque do motor de arranque em função de sua rotação, para diferentes temperaturas ambientes. Essas curvas possuem um ponto

2 a partir do qual o torque requerido do motor de arranque diminui significativamente devido à entrada da câmara de combustão em operação. Nesse instante a turbina passa a produzir maior torque e, em conseqüência, diminui o torque requerido do motor de arranque. A determinação do torque de partida da APU não é um exercício simples pois requer o conhecimento pormenorizado das condições de operação de cada um dos componentes da APU e de seus acessórios em cada instante Operação em vôo Em partidas em vôo deve-se levar em conta o ar de impacto (ram pressure) na tomada de ar da APU, que altera o torque de partida. Poucas APUs podem utilizar-se da auto-rotação (windmilling) para a partida, utilizando-se apenas a pressão dinâmica para a produção do torque necessário, devido à localização da seção de entrada de ar. Geralmente se recorre a motor de arranque para dar partida em vôo. É preciso também notar que a pressão dinâmica, que produz a auto-rotação isto é, um torque somada à ação do motor de arranque, pode produzir um torque acima do requerido e isto acarretar uma aceleração muito rápida. Em conseqüência, a faixa de acendimento da câmara de combustão se reduz, tornando difícil a manutenção da combustão (aumenta a quantidade de ar que entra na câmara, diminuindo a relação combustível-ar, dentre outros). Assim, é preciso que a seção de entrada de ar tenha uma porta de abertura controlada. Com relação aos procedimentos de partida em vôo, estes não diferem muito dos de partida em solo. Em decorrência da altitude onde se deseja que a APU funcione, o tempo de partida é variável pois as características do ar ambiente variam. A Tabela 8.1

3 dá uma idéia do tempo de partida para diferentes altitudes, para uma determinada APU. Esses tempos variam de APU para APU. Tabela 8.1 Tempos de partida de uma APU em função da altitude de vôo Altitude (m) Tempo de Partida (s) Tipos de sistemas de partida Os sistemas de armazenamento de energia para partida podem ser: Bateria elétrica Vaso de pressão contendo ar ou gás comprimido Os dispositivos de conversão de energia mais comuns são: Motor elétrico de corrente contínua Motor hidráulico de deslocamento positivo Motor pneumático de deslocamento positivo Todos esses sistemas têm vantagens e desvantagens mas o mais simples e mais utilizado é o sistema com baterias elétricas e motor de corrente contínua. É o sistema utilizado por todas as aeronaves que contém APU. Muitas vezes no lugar do motor de partida utiliza-se um motor-gerador. Os aviões militares costumam usar sistema de partida hidráulico porque são mais apropriados para o funcionamento em condições severas de baixas temperaturas. Outros possuem um sistema de partida com ar comprimido, projetado para evitar os inconvenientes dos motores elétricos e dos hidráulicos. Todas as APUs que usam sistemas de armazenamento de energia são limitados com relação à quantidade de energia. Embora as baterias possam ter capacidade adequada para partidas em ambientes de temperaturas normais, em condições extremas isto pode não ser possível. Requer-se, portanto, o cálculo detalhado do desempenho na partida a fim de que se atinjam os resultados desejados em operação. Os fornecedores das APUs devem fornecer os procedimentos detalhados para esses cálculos Partida Elétrica A utilização de um motor de corrente contínua é o método mais utilizado para a partida da APU. É um sistema muito confiável, baseado na experiência acumulada

4 durante muitos anos de uso. Consiste de: motor elétrico de corrente contínua embreagem fonte de 24 V CC cabos de interconexão sistema de controle para produzir o ciclo de partida Todos esses componentes estão integrados à APU para produzir um ciclo automático de partida que requer, apenas, iniciação manual. O motor de arranque, a chave de corte de emergência e a embreagem geralmente são fornecidos com a APU. O sistema elétrico para a partida pode ser representado como o da Fig A fonte de corrente contínua de 24 V pode ser ou da aeronave, ou específica da APU, ou de uma GPU conectada ao barramento DC da aeronave, ou uma saída DC do sistema de retificação de corrente da aeronave. Para manter a auto-suficiência da aeronave, a fonte principal de energia para partida da APU deve ser bateria colocada na aeronave. O circuito elétrico de partida do motor de arranque deve ser protegido por um sensor de corrente que alerta sobre excesso de corrente. Disjuntores ou fusíveis podem ser usados mas as suas características corrente x tempo devem acompanhar das mesmas características do motor de partida, baseadas nos requisitos de tempo de partida e de torque Resistência do circuito de partida Os cabos elétricos que ligam o motor de arranque às baterias são críticos para o bom desempenho de partida. Devem ter a menor resistência possível, o que requer cabos de diâmetros grandes, o que os torna pesados. Devido ao peso do cabo e à localização muitas vezes remota das baterias da aeronave, pode ser mais vantajoso instalar baterias específicas para o motor de partida da APU, no local mais próximo possível do motor, na vizinhança do compartimento da APU. O máximo valor da resistência do cabo que liga as baterias ao motor de arranque que permite características de tempo de partida adequadas é geralmente fornecido pelo fornecedor da APU. A resistência do cabo é definida como a soma das resistências dos cabos positivo (+) e negativo (-) com a dos contatos de partida fechados. O valor máximo real de resistência que pode ser tolerado depende de muitos fatores, dentre os quais Capacidade da bateria Temperatura do eletrólito da bateria Temperatura ambiente Requisitos de torque de partida da APU Características do motor de arranque da APU Cargas dos acessórios acionados pela caixa de engrenagens Tempo desejado para a partida

5 5 Viscosidade do óleo lubrificante da APU De um exame dessa lista pode-se deduzir imediatamente que não se pode determinar exatamente qual deve ser a máxima resistência do cabo até que alguns desses elementos da lista e o desempenho de partida tenham sido definidos. Além disso, esses parâmetros não são facilmente transformados em gráficos ou tabelas ou fórmulas. Portanto, o valor máximo da resistência do cabo é determinado tendo-se em conta Especificação do modelo da APU e das características do motor de arranque Especificação de características de partida em função do tempo Suposição de capacidade mínima da bateria Suposição de que a temperatura do eletrólito da bateria seja a mínima admissível Suposição de que o torque dos equipamentos ligados à caixa de redução seja o maior admissível Geralmente é adequado o valor da resistência baseada nessas suposições. Entretanto, se o engenheiro responsável pela instalação estiver submetido a muitas restrições de instalação, recomenda-se que discuta com o fabricante da APU os problemas que está enfrentando Controles Os dispositivos elétricos e de controle requeridos para operação do motor de partida são Chave de partida Contator de partida Chave de corte Os contatos do contator de partida geralmente são especificados para suportarem sobrecorrente de 125% da corrente máxima normal de partida, por 5 segundos. As bobinas do contator geralmente são dispositivos elétricos que fecham os contatos com tensão de 16 V e os abrem se a tensão cai abaixo de 8 V. A chave de corte geralmente é ajustada para atuar na faixa de 35 a 50% da rpm nominal da APU (o valor exato depende da APU escolhida). Age no sentido de cortar a corrente dos relés dos contatores Arranque-gerador Nas aeronaves que têm todo o sistema elétrico DC, é muitas vezes desejável que se tenha um motor de arranque-gerador para partida da APU. Quando potências DC elevadas são exigidas para uso em solo sem que os motores principais estejam em operação, o peso da APU com o motor de arranque-gerador pode ser menor do que

6 com motor de arranque e gerador separados, com a mesma capacidade. Entretanto, desde que o motor de arranque-gerador é menos eficiente como motor de partida do que o motor de arranque separado, pode ser requerida bateria de maior capacidade, o que, por sua vez, reduz a vantagem do menor peso. O sistema envolve geralmente os mesmos componentes que aquele com motor de arranque e gerador separados, exceto pela embreagem do motor de arranque separado. O motor de arranque-gerador deve ser montado num flange especial da caixa de acessórios pois operará em rotação mais elevada do que o motor de arranque separado. Quando for utilizado como motor de partida, sua eficiência é baixa, o que, muitas vezes, requer enrolamento de campo em série, para produzir uma característica satisfatória de partida, enquanto que mantém uma característica razoável como gerador. A decisão de se utilizar um motor de arranque-gerador deve ser feita antes da seleção do modelo final da APU para se garantir que haja um flange de montagem adequado para sua montagem na caixa de acessórios Considerações sobre os ciclos de trabalho Os ciclos de trabalho variam de acordo com o sistema de partida usado em cada modelo de APU. Geralmente estão definidos no manual de instalação. Uma vez que nem o motor de arranque nem o sistema de ignição operam continuamente, esses itens são fatores que controlam os requisitos de ciclos de trabalho. A maior parte dos motores elétricos de partida (motor de arranque ou arranque-gerador) têm limitações de trabalho semelhantes. Motores de arranque hidráulicos ou pneumáticos não têm tais limitações. O ciclo de trabalho geralmente é controlado manualmente, mas pode ser automatizado por um dispositivo temporizador. Este, quando utilizado, pode violar os limites do ciclo de partida se o operador não agir. Esse dispositivo temporizador deve atuar deste o tempo de início do engate até o atingimento da velocidade governada e limitar o tempo para esse ciclo para um valor pré-determinado Tipo de bateria Bateria de tamanho e capacidade adequados, tendo uma característica de decarga apropriada, é essencial para um bom desempenho de partida de uma APU equipada com partida elétrica, seja motor de arranque ou arranque-gerador. A configuração de uma instalação específica e os requisitos operacionais fixam o tamanho da bateria. Os mesmos fatores de instalação que afetam a resistência dos cabos também afetam os requisitos da bateria. Por estas razões, o engenheiro de instalação tem necessidade de coordenar a seleção das baterias com a resistência total dos cabos, a fim de que a corrente no motor de arranque, durante a partida, seja a adequada.

7 As baterias para aviões são baterias de níquel-cádmio ou chumbo-ácido. Ambas são afetadas pela temperatura ambiente mas a níquel-cádmio tem melhor desempenho em ambiente frios do que a chumbo-ácido, têm maior capacidade para um dado tamanho e peso e podem sustentar uma taxa de descarga por um período consideravelmente maior. Ambos os tipos são sujeitos a problemas de superaquecimento interno sob condições de operação severas, tais como altas taxas de descarga e de recarga. Uma condição muito severa de operação é aquela na partida da APU, com uma alta taxa de descarga que produz aquecimento interno. Em seguida é recarregada com alta taxa de recarga, produzindo ainda mais calor interno. Os efeitos do aquecimento interno nas baterias chumbo-ácido geralmente são confinados à ebulição do eletrólito, enquanto que na bateria níquel-cádmio o aquecimento interno, se não for controlado, pode levar a condições perigosas. Para minimizar e controlar o grau de aquecimento interno, é necessário que se incorpore um dispositivo compensador de temperatura da bateria no sistema de carga da mesma. A bateria níquel-cádmio é mais sensível a práticas incorretas de manutenção do que as chumbo-ácido. Ver, por exemplo, a circular da FAA N ª: Nickel-cadmium battery operational, maintenance, and overhaul practices. Analisando as baterias apenas quanto à resistência interna, aquela com menor resistência interna é melhor para uso com um motor de partida elétrico ou com arranque-gerador. Muitos fabricantes oferecem modelos especiais de baterias com resistência interna baixa, para esses tipos de aplicação. 7 Figura Tempo de partida da APU, em altitude A Fig. 8.2 dá indicação de como varia o tempo de partida da APU em diversas altitudes. Nota-se que esse tempo vai crescendo de acordo com o aumento da altitude.