1 Capítulo 2 - Seleção do local para a APU Os passos que devem ser dados desde a concepção de uma aeronave são: 1) No Planejamento: Admitir que a seleção e a instalação da APU são tão importantes quanto às do motor principal. Alocação de pessoal especializado para o projeto da instalação. Provisão de reuniões periódicas para revisão do projeto. 2) No Projeto: Seleção de local ótimo para a APU, na aeronave. Deve-se estar ciente de que sempre haverá soluções de compromisso, o que requer que o mais cedo possível no Programa esse local seja reservado para que sejam minimizados os impactos nos demais sistemas. Tem-se notado que o atraso na decisão do local de instalação da APU, esperando-se que o lay-out completo da aeronave e de seus equipamentos esteja razoavelmente definido, pode resultar em custos adicionais elevados e comprometimento de sua instalação. A Fig. 2.1 apresenta uma ilustração de uma instalação típica de APU em aeronaves. A APU é localizada no cone da cauda. É mostrado também o sistema pneumático da aeronave, com a distribuição de ar comprimido para o sistema de partida dos motores principais e para o sistema de condicionamento de ar. Deve-se observar que, pelo fato de a APU estar localizada no cone da cauda, os motores principais sob as asas e o sistema de condicionamento de ar sob a fuselagem, na região das asas, há necessidade de instalação de longos dutos para conduzir o ar comprimido produzido pela APU. Figura 2.1 Localização de uma APU em aeronave e seu sistema pneumático
2 A Fig. 2.1 apresenta um esquema de instalação típica de uma APU no cone da cauda, sendo indicados os dutos de admissão e de exaustão, bem como a delimitação do compartimento da APU com sua parede corta-fogo. Figura 2.1 Instalação típica de uma APU no cone de cauda. 2.1 - Fatores que devem ser observados durante a seleção do local de instalação 2.1.1 - Posições da tomada de ar e da saída dos gases quentes Deve-se dar bastante atenção ao problema de selecionar o local para a entrada de ar para a APU, bem como para o de saída de seus gases quentes. Há muitas variáveis aí envolvidas e quase sempre se tem que tomar uma solução de compromisso. 2.1.1.1 - Diferencial de pressão A tomada de ar deve estar localizada numa região em que haja um diferencial de pressão positivo com relação à saída dos gases quentes, em todas as condições de vôo. Caso exista um diferencial negativo de pressão, o desempenho da APU será prejudicado, além de dificultar, ou mesmo impedir a sua partida em vôo.
Gradiente negativo de pressão pode causar: Auto-rotação invertida do conjunto rotativo da APU, o que requer a colocação de uma porta adicional de entrada ou de descarga. Superaquecimento da turbina durante a partida. Danos aos mancais, selos, filtros e demais acessórios, devido à inversão da rotação das bombas de óleo, por exemplo. Retorno de chama na partida, que pode ser muito perigoso. Deve-se recorrer a ensaios em túnel de vento para se obter um perfil de distribuição de pressão na fuselagem, nas regiões em que se espera instalar a tomada de ar e a exaustão de gases. Tão logo essas aberturas na fuselagem estejam definidas é preciso que se recorra novamente a ensaios em túnel de vento, ou CFD, ou finalmente ensaios em vôo, para se assegurar que haja um gradiente positivo de pressão. 2.1.1.2 - Aberturas na fuselagem 3 As aberturas para a tomada de ar e exaustão dos gases quentes devem ser localizadas na superfície externa da aeronave e devem estar separadas o máximo possível a fim de que não haja possibilidade de ingestão dos gases quentes eliminados pela APU (ou pelos próprios motores principais). Há instalações em que não há possibilidade de separá-los bastante. Neste caso deve-se lançar mão das chamadas barreiras naturais oferecidas pela aeronave: A própria fuselagem (colocar a tomada de ar de um lado e a saída dos gases de outro), não necessariamente na horizontal. As asas. A empenagem vertical. A cauda. O pilone. Deve-se também levar em conta a possibilidade de ventos que podem trazer gases quentes dos motores principais e da APU para a tomada de ar. Durante todas as condições de vôo também deve-se certificar que os gases quentes dos motores principais não cheguem à tomada de ar da APU. 2.1.1.3 - Localização das tomadas de ar Cuidado especial deve ser tomado quando se localizam as tomadas de ar da APU e da alimentação de ar de refrigeração do compartimento da APU. Dependendo do tipo de instalação, há necessidade de se colocar um ventilador para bombear o ar externo para dentro do compartimento da APU, para a refrigeração do seu óleo lubrificante e dos geradores que porventura sejam acionados pela APU.
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5 É recomendável que haja tomadas de ar separadas para a APU e para o sistema de refrigeração, embora as recomendações para sua localização sejam as mesmas já mencionadas. Se for necessário um único duto, é preciso tomar atenção para que, em todas as condições de operação da APU, não haja diminuição do fluxo de ar de refrigeração, o que pode causar superaquecimento do óleo, do gerador e mesmo do compartimento da APU. Partículas sólidas também podem ser ingeridas tanto em vôo como no solo. Para evitar esse tipo de problema, deve-se procurar não colocar a tomada de ar sob a fuselagem, nos locais que ficam mais próximos ao solo. São os piores locais possíveis, pois facilitam a ingestão de líquidos e partículas sólidas (pedra, areia, pedaços de pneus, peças que se desprenderam de outras aeronaves), que podem escapar da fuselagem (dos tanques de combustível, dos sistemas de ventilação, dos sistemas hidráulicos) ou estarem no chão (água, barro, gelo, neve), jogados para o ar pelos pneus, pelos gases quentes dos motores principais e durante o acionamento dos reversores de empuxo ou succionadas pela APU durante a rotação da aeronave na decolagem. A colocação da abertura para a tomada de ar em outros locais não evita totalmente a ingestão de corpos estranhos, uma vez que a sujeira existente na pista (areia, pedra, pedaços de pneus) pode ser jogada para o ar pelos pneus, pelos reversores de empuxo ou pelos gases de exaustão dos motores principais. Tanto a ingestão de partículas sólidas como a de líquido resultam na degradação do desempenho da APU. A ingestão de fluidos pode causar efeitos mais devastadores como o disparo da turbina, quando o fluido ingerido for combustível. Alguns fluidos causam a extinção da chama. A entrada de ar deve ser dirigida para cima para minimizar a propagação do ruído gerado pelo compressor. Esse ruído é de alta freqüência, direcional e extremamente desconfortável para o ouvido humano. Deve-se procurar eliminar uma linha de visada direta da entrada de ar até o ouvido humano.
6 Deve-se evitar a colocação da entrada de ar da APU próxima à porta de serviço. Deve-se evitar também que as vibrações acústicas geradas pela exaustão dos motores principais, esteira, entrada do compressor ou do fan não cheguem à entrada de ar da APU, a fim de que suas freqüências naturais não seja excitadas, comprometendo seu funcionamento. 2.1.1.4 - Localização da saída dos gases quentes (exaustão) Não se deve colocar a exaustão da APU próxima do compartimento dos trens de pousos para evitar que os gases quentes possam entrar nessas áreas sensíveis durante qualquer condição de operação da aeronave. A entrada de gases de exaustão da APU nesses locais torna-se extremamente perigosa se a APU ingerir líquidos combustíveis (vazamento de combustível ou de óleos lubrificantes), Se a APU precisar operar em vôo, deve-se atentar bastante para o problema das esteiras. A experiência tem revelado que, nos casos de a tomada de ar estar faceando a superfície externa da fuselagem, os gases quentes de escapamento podem aderir à fuselagem, independentemente da espessura da camada limite existente nas redondezas. Como resultado tem-se o aquecimento exagerado da fuselagem, o que requer elevados gastos para modificações estruturais para suportar altas temperaturas. Existe ainda a incômoda aderência de partículas de carvão e de óleo à superfície externa da aeronave, que pode causar corrosão, além dos problemas estéticos. Como as tomadas de ar, as saídas de gases quentes devem ser dirigidas para cima para evitar exposição dos passageiros ao ruído e evitar que gases quentes atinjam o pessoal de solo. Dirigir o escapamento para baixo deve ser evitado para não se jogar gases quentes no pessoal de solo, bem como em objetos armazenados próximo da aeronave, como pneus, veículos de apoio, armas e munições (aeroportos militares) e em outras aeronaves. 2.1.2 - Centro de gravidade da aeronave O mais cedo possível, na fase de projeto da aeronave, a APU precisa ser considerada como parte da aeronave e não uma opção. Em função disso, sua localização pode ser negociada para que sua instalação seja a melhor possível e haja o mínimo de soluções de compromisso.
Caso isso não seja feito, sua localização pode ficar compromissada demais, resultando numa instalação não adequada, diminuindo as chances de se ter uma boa instalação e operação. 7 2.1.3 - Considerações acústicas e de vibração Os aspectos acústicos relacionados com a localização das aberturas para a tomada de ar e exaustão dos gases quentes devem ser considerados, uma vez que há produção de alto nível de ruído no interior da APU. A operação das válvulas de sangria e do controle de bombeamento do compressor, além de produzir ruído, também gera vibrações que são transmitidas à estrutura da aeronave pelos pontos de montagem. É preciso, portanto, isolar essas vibrações para que não cheguem à cabine de passageiros em nível excessivo. 2.1.4 - Efeitos nos sistemas de combustível, elétrico e de sangria de ar O funcionamento da APU requer que o combustível lhe seja fornecido a uma pressão adequada, especificada pelo fabricante da APU. A tubulação de combustível deve ser projetada com propriedade, a fim de que a pressão do combustível à entrada da APU seja a especificada. Pode ser requerida a instalação de uma bomba de recalque auxiliar (boost). Deve-se levar em conta a atitude da aeronave e as acelerações negativas. No compartimento da APU não pode passar nenhuma linha de combustível nem de fluidos inflamáveis a não ser aquelas requeridas pela própria APU. Muitas APUs têm partida elétrica, o que requer o uso das baterias da aeronave ou a instalação de baterias próprias para a APU. Como os torques para partida são altos, requer-se corrente elevada e, portanto, cabos elétricos grossos. Por esta razão, as baterias para partida da APU precisam estar o mais próximo possível dela, para evitar cabos longos e pesados e possibilitar a otimização e confiabilidade das baterias. Devese também levar em conta os efeitos das condições ambientais no eletrólito das baterias, para evitar que deixem de produzir a potência necessária para a partida da APU. O sistema de ar comprimido da aeronave deve ser considerado quando se estuda a instalação da APU. Os dutos para o ar comprimido produzido pela APU precisam suportar altas vazões, pressões e temperaturas, sendo, portanto, de grandes diâmetros e pesados. Para minimização de peso, perdas de pressão e temperatura, a localização da APU deve ser tal que não requeira dutos excessivamente longos. 2.1.5 - Considerações estruturais As características estruturais da aeronave são afetadas pela localização da APU. A estrutura da aeronave nas imediações da APU deve ter provisão para receber a
APU, que é montada geralmente através de 3 pontos. Deve também suportar os esforços do sistema de montagem em todas as condições de operação da aeronave. Não deve ser influenciada pelas grandes deflexões que podem ocorrer na estrutura da aeronave. Deve ser levado em conta que o compartimento da APU é sujeito a altas temperaturas, tornando o ambiente adverso. A estrutura da aeronave deve permitir aberturas para a localização da tomada de ar e da exaustão dos gases quentes, bem como portas de acesso para instalação e manutenção. Finalmente, deve permitir a instalação de tubulações em geral (ventilação, dreno, etc.) e cabos (elétricos, de instrumentação, etc.) 8 2.1.6 - Acessibilidade O requisito de acessibilidade da APU influencia a escolha do local para sua instalação, pois o acesso livre aos locais de manutenção, por exemplo, não permite que a APU seja instalada em qualquer lugar. Ainda mais, o fácil acesso para inspeção e manutenção da APU melhora a qualidade de fácil manutenção da aeronave. O local escolhido para instalação da APU deve permitir fácil remoção e instalação da mesma, com o mínimo de ferramentas especiais. 2.1.7 - Pontos de drenagem A APU é um motor e, como tal, tem pontos de drenagem e de ventilação, cujos produtos devem ser conduzidos para dentro da aeronave ou trazidos para fora dela. A localização da APU deve ser escolhida para facilitar a instalação desses pontos, de tal modo que não se permita que os produtos por eles conduzidos sejam dirigidos para a tomada de ar ou para outros locais igualmente sensíveis da aeronave. Regulamentações ecológicas precisam ser obedecidas no que concerne à disposição dos produtos conduzidos por esses pontos. 2.1.8 - Proteção contra fogo Um ponto vital que deve ser observado com relação à instalação da APU é o seu compartimento, que é considerado como zona de fogo pelas regulamentações da FAA. Desta forma, deve-se prover o compartimento da APU com uma parede à prova de fogo, isolação apropriada, válvulas de corte rápido, sistema de detecção e de extinção de chama. Como o compartimento da APU é um local onde pode existir incêndio, devese levar em conta os diversos sistemas, equipamentos, instalações, etc., vizinhos. 2.1.9 - Proximidade a sistemas críticos da aeronave Deve-se procurar não localizar o compartimento da APU nas proximidades de sistemas críticos da aeronave, tais como:
9 Tanques de combustível. Sistema de oxigênio. Sistemas primários de controle de vôo. Sistemas hidráulicos. Sistemas de combate a incêndio. além dos passageiros e da tripulação. 2.1.10 - Desintegração da APU A possibilidade de desintegração da APU existe e, portanto, deve-se procurar localizá-la distante de sistemas críticos da aeronave. Se isto, entretanto, não for possível, deve-se exigir a instalação de dispositivos de proteção em caso de desintegração de algum componente rotativo da APU. Muitas APUs já possuem os reforços para a contenção das pás do compressor e da turbina. Deve-se também evitar que vibrações excessivas provindas da APU e de sua operação sejam transferidas para sistemas críticos da aeronave e para sua estrutura. 2.1.11 - Interferência acústica dos motores principais As APUs podem sofrer influência perniciosa dos motores principais através de ondas acústicas emanadas de seu escapamento, bem como de outras perturbações aerodinâmicas. Reconhece-se que este problema é difícil de ser previsto mas todo o cuidado para evitá-lo deve ser observado. Os efeitos dessa interferência podem ser destrutivos para a APU. Assim, a mesma não pode ser instalada em local que possa ficar exposto a vibrações acústicas emanadas dos motores principais em níveis superiores a 150 db. Níveis superiores a este podem causar fadiga e falha precoce da APU e de seus componentes. Há relatos de diversos casos em que níveis acima de 150 db causaram danos consideráveis às APUs. Sabe-se que a carga induzida por essas vibrações duplicam-se a cada aumento de 6 db. Deve-se observar esse mesmo limite de 150 db para a estrutura circundante e de suporte da APU, bem como o de admissão. Se níveis de ruído acima de 150 db não puderem ser evitados, deve-se tomar extremo cuidado durante o projeto de qualquer estrutura.