1 Capítulo 6 - SANGRIA DE AR 6.1 - Finalidade e características gerais A finalidade da APU é fornecer ar comprimido para os sistemas pneumáticos da aeronave e potência de eixo para acionar o gerador de eletricidade e outros equipamentos como ventiladores, para promoverem a circulação de ar externo para resfriamento do seu compartimento. O ar comprimido sangrado da APU pode ser proveniente do compressor da própria APU ou de um compressor separado, como o ilustrado pelas Figs. 6.1 a 6.3. Figura 6.1 - Ar sangrado do compressor da APU
2 Figura 6.2 - Ar sangrado de compressor independente Figura 6.3 - Ar sangrado de estágio intermediário - turbina de 2 eixos
3 Figura 6.4 - Vista externa da APU APs 2300 O ar é sangrado de um ponto entre a descarga do compressor e a câmara de combustão e é dirigido para o sistema pneumático da aeronave através de uma válvula do tipo ON-OFF ou LCV (Load Control Valve), integradas ao sistema de controle da APU. No caso de compressor separado, o ar é dirigido ao sistema pneumático da aeronave através de uma válvula de sangria (bleed valve), do tipo ON-OFF e não está integrada ao sistema de controle da APU. A vazão de ar comprimido geralmente é controlada por um conjunto de pás diretoras à entrada do compressor separado (IGVs Inlet Guide Vanes). O ar comprimido é utilizado para: 1. Acionar o sistema de partida dos motores principais, através de uma turbina a ar comprimido. 2. Operar o sistema de condicionamento de ar da aeronave, baseado num ciclo de expansão de ar. 3. Pressurizar a aeronave, mantendo a cabine de pilotos e de passageiros a uma pressão adequada às funções humanas. 4. Acionar motores à base de turbina de ar comprimido para aplicações diversas (ventiladores, etc.) 5. Aquecimento de superfícies do sistema anti-gelo. 6. Controle de bombeamento do compressor da APU. A Fig. 6.5 indica a localização da APU e do ar sangrado, que é carregado para as diversas aplicações na aeronave.
4 Figura 6.5 - Sistema Pneumático de uma aeronave O sistema pneumático da aeronave pode ser esquematizado como o da Fig. 6.6. Figura 6.6 - Esquema do sistema pneumático de uma aeronave O desempenho de uma APU é medido em função da capacidade de vazão de massa, pressão e temperatura de descarga do ar comprimido sangrado e, no caso de
produção de potência de eixo, também a potência gerada, em todas as condições de operação da aeronave. Deve-se obter do fabricante da APU as informações de desempenho da APU durante a fase de discussão que precede a compra do equipamento. Uma vez emitido o pedido de compra fica difícil qualquer modificação decorrente da incapacidade de a APU apresentar o desempenho requerido. Na Fig. 6.6 podem ser vistas as diversas válvulas (de corte, de controle (Fig. 6.7), unidirecionais) para assegurar a qualidade e a quantidade do escoamento de ar comprimido nos diversos circuitos pneumáticos. Vê-se que a APU fornece ar comprimido a um par de sistemas de condicionamento de ar e de motores de partida das turbinas principais. 5 Figura 6.7 - Válvula de controle de vazão de ar comprimido As válvulas de controle de vazão requerem atenção especial de instalação, a fim de que funcionem adequadamente em todas as condições de operação da APU e da aeronave. As recomendações do fabricante devem ser atendidas para uma instalação e operação adequadas. Alguns tipos de APUs possuem válvula de controle de bombeamento (surge control valve) que operam durante a partida da APU, em altitude ou quando a quantidade de ar sangrada cai abaixo de certo valor. A localização da válvula de controle de bombeamento depende da APU considerada pois há diversos pontos possíveis de onde se pode sangrar o ar do compressor. Como o ar sangrado está a altas pressões e temperaturas, o projetista da instalação da APU deve providenciar dutos e pontos de descarga apropriados, geralmente no duto de exaustão da turbina.
Deve-se observar: ƒ Se o ar for descarregado no duto de escapamento, não pode causar contrapressão na turbina ou impedir o escoamento livre dos gases quentes. ƒ Não descarregar o ar sangrado em local que possa comprometer a leitura de temperatura do termopar utilizado para medir a temperatura de exaustão da APU. ƒ Que não haja degradação de desempenho do edutor, se existir. ƒ Que não seja descarregado para a atmosfera em local que possa atingir pessoas e/ou equipamentos de solo. ƒ A necessidade de tratamento acústico para não incomodar passageiros, Quando o ar comprimido é produzido por um compressor separado, a válvula de controle de vazão é geralmente combinada com um conjunto de pás estatoras móveis (IGVs) à entrada do compressor, atuando também no controle de bombeamento (surge). Neste caso, está ligada ao sistema de controle da APU. A descarga do ar comprimido para efeito de controle de bombeamento deve também ser feita no duto de escapamento. 6 6.2 - Dutos para ar sangrado O ar sangrado do compressor está a altas temperaturas e pressões. Desta forma, os dutos que o transportam devem ser adequadamente dimensionados para suportarem essas condições, bem como as vazões especificadas. As perdas de pressão decorrentes do escoamento nos dutos não podem ser altas para não degradar a qualidade do ar comprimido sangrado. Os dutos devem atender também os requisitos dos locais por onde passam. Os dutos também não devem ser superdimensionados porque representam peso desnecessário e formam volumes grandes que influem no desempenho das válvulas de controle, pois afetam a estabilidade do sistema de controle e acarretam atrasos de informações que precisam ser levados em conta nos sistemas de controle. Os dutos devem ser adequadamente ancorados e não devem impor cargas além das admitidas, nos diversos equipamentos a que estão fixados. Como a temperatura do ar sangrado é elevada, há dilatação/deflexão grande dos dutos, o que pode impor cargas excessivas aos equipamentos, o que pode ser minimizado com o uso de juntas flexíveis e de formas (caminhos) apropriadas. Os dutos devem ser fabricados de materiais à prova de fogo, especialmente as partes que ficam no compartimento da APU e as próximas a equipamentos críticos da aeronave. Devem ser dimensionados para suportar altas pressões e temperaturas e dar vazão ao escoamento necessário, sem perdas excessivas. Deve-se dar atenção especial aos dutos de sangria de ar de controle de bombeamento, pois os fluxos são elevados e estão a altas velocidades, uma característica potencialmente destrutiva, pois pode causar vibrações e, devido a estas, fadiga de paredes finas e erosão em materiais não-metálicos.
Recomenda-se o uso de aço inoxidável ou titânio para os dutos e juntas de expansão. Os dutos para ar sangrado que estiverem no compartimento da APU precisam ser os mais curtos possíveis e isolados para diminuir a radiação de calor para dentro do compartimento. Essa isolação pode ser feita construindo o duto de parede dupla ou utilizando cobertura isolante. Se a cobertura isolante for utilizada, seu material não pode absorver nem reter fluidos inflamáveis que poderiam criar um potencial de fogo quando o duto atingir sua temperatura de operação. Deve-se incorporar no duto de sangria uma válvula unidirecional acionada por mola para evitar que o ar comprimido do motor principal circule pela APU quando a APU estiver funcionando e a válvula de corte estiver na posição aberta. Quando a válvula de sangria do motor principal estiver aberta (o que pode acontecer quando um ou mais motores estiverem ligados e a APU estiver operando com sua válvula de sangria aberta), a maior pressão do motor principal deve fechar a válvula unidirecional instalada próxima da APU. Se essa válvula falhar na posição aberta, ar comprimido do motor principal pode circular pela APU. Neste caso o fluxo divide-se em dois: uma parte vai para a turbina e a outra retorna pelo compressor, saindo pelo duto de entrada de ar. Se isto acontecer e não for detetado, pode causar danos à APU. A experiência mostra que a rpm e a temperatura de escapamento da APU podem permanecer como normais ou não notadas. Se houver deteção de fluxo reverso, a APU deve ser desligada imediatamente. Há APUs em que existe dispositivo de deteção de escoamento invertido, com ação para imediato corte da APU. Em algumas instalações utiliza-se ar sangrado da APU num ejetor para movimentar ar para resfriamento do compartimento da APU. Neste caso, deve-se utilizar o ar sangrado somente depois que a APU atingiu velocidade governada. Requer-se, portanto, válvulas, pressostatos, dutos, etc. para esse tipo de utilização do ar sangrado. Como uma das principais aplicações da APU é para fornecer ar comprimido para o sistema de ar condicionado da aeronave, o ar sangrado deve ser livre de contaminantes para que possa ser adequado à respiração humana. Devem satisfazer os requisitos da FAA. Como a APU não tem controle sobre os contaminantes do ar que podem chegar à sua admissão, deve-se assegurar que o ar que chega à APU seja limpo. Isto é uma razão importante para se localizar a APU onde a ingestão de gases dos motores principais seja minimizada. 7