Введение

Альтернативный источник питания транспортного средства

Вспомогательный силовой агрегат (APU) – это устройство на транспортном средстве, обеспечивающее энергией функции, отличные от движения. Они обычно устанавливаются на крупных самолетах и военных кораблях, а также на некоторых больших наземных транспортных средствах. APU в авиации обычно вырабатывают напряжение 115 В переменного тока при частоте 400 Гц (вместо 50/60 Гц в электросети) для питания электрических систем самолета; другие могут вырабатывать напряжение 28 В постоянного тока. APU могут обеспечивать питание через однофазные или трехфазные системы.

История

Во время Первой мировой войны британские дирижабли класса Coastal, один из нескольких типов дирижаблей, эксплуатируемых Королевским флотом, оснащались вспомогательным двигателем ABC. Эти двигатели питали генератор для радиопередатчика дирижабля и, в случае чрезвычайной ситуации, могли приводить в действие вспомогательный воздушный компрессор. Одним из первых военных самолетов с фиксированным крылом, использовавших APU, был британский истребитель Supermarine Nighthawk времен Первой мировой войны, предназначенный для ночной борьбы с дирижаблями Zeppelin. Во время Второй мировой войны ряд крупных американских военных самолетов были оснащены БПУ. Они обычно назывались "путт-путт", даже в официальных учебных документах. На бомбардировщике B-29 Superfortress "путт-путт" устанавливался в негерметичном отсеке в хвостовой части самолета. Использовались различные модели четырехтактных двигателей с оппозитным или V-образным расположением цилиндров. Двигатель приводил в действие генератор постоянного тока P2, рассчитанный на 28,5 Вольт и 200 Ампер (несколько таких же генераторов P2, приводимых в действие основными двигателями, служили источником питания постоянного тока для B-29 в полете). "Путт-путт" обеспечивал питание для запуска основных двигателей и использовался после взлета до высоты 10000 футов (3048 м). "Путт-путт" вновь запускался при снижении B-29 для посадки. Некоторые модели B-24 Liberator имели "путт-путт", установленный в передней части самолета, внутри отсека носовой стойки шасси. Некоторые модели транспортного самолета Douglas C-47 Skytrain имели "путт-путт", установленный под полом кабины пилотов.

В качестве механических "загрузочных" APU для реактивных двигателей

Первые немецкие реактивные двигатели, построенные во время Второй мировой войны, использовали механическую систему запуска APU, разработанную немецким инженером Норбертом Риделем. Она состояла из двухтактного оппозитного двигателя, который в конструкции Junkers Jumo 004 был скрыт во впускном диверторе, фактически являясь пионерским примером вспомогательного силового агрегата для запуска реактивного двигателя. В передней части дивертора находилась ручная тяга, запускавшая поршневой двигатель, который, в свою очередь, вращал компрессор. Во впускном диверторе Jumo 004 имелось два отверстия для доступа к свечам зажигания, предназначенные для обслуживания цилиндров устройства Риделя непосредственно на двигателе, в целях технического обслуживания. Два небольших бака для "предварительной смеси" топлива (бензина/масла) для двигателя Риделя были установлены в кольцевом впускном канале. Двигатель был спроектирован с экстремально коротким ходом поршня (диаметр цилиндра / ход поршня: 70 мм / 35 мм = 2:1), чтобы он мог поместиться во впускном диверторе реактивных двигателей, таких как Jumo 004. Для понижения оборотов в нем была интегрирована планетарная передача. Производство осуществлялось компанией Victoria в Нюрнберге, и он служил механическим стартером типа APU для всех трех немецких реактивных двигателей, достигших хотя бы стадии прототипа до мая 1945 года – Junkers Jumo 004, BMW 003 (который, уникальным образом, использовал электрический стартер для APU Риделя) и прототипы (19 единиц) более продвинутого двигателя Heinkel HeS 011, который устанавливался непосредственно над впускным каналом в обшивке носовой части гондолы двигателя, изготовленной Heinkel. Boeing 727 в 1963 году стал первым реактивным лайнером, оснащенным газотурбинным APU, что позволило ему работать в небольших аэропортах, не завися от наземного оборудования. На многих современных авиалайнерах APU можно идентифицировать по выхлопной трубе в хвостовой части самолета.

Секция питания

Мощностной отсек — это газогенераторная часть двигателя, вырабатывающая всю мощность на валу для ВСВУ. В этом отсеке двигателя воздух и топливо смешиваются, сжимаются и воспламеняются для создания горячих расширяющихся газов. Эти газы обладают высокой энергией и используются для вращения турбины, которая, в свою очередь, приводит в действие другие компоненты двигателя, такие как вспомогательные редукторы, насосы, электрогенераторы, а в случае турбовентиляторного двигателя — основной вентилятор.

Секция компрессора нагрузки

Нагрузочный компрессор обычно представляет собой компрессор, установленный на валу, который обеспечивает пневматическую мощность для самолета, хотя некоторые вспомогательные силовые установки (ВСУ) используют отбираемый воздух от компрессора силовой секции. Для управления потоком воздуха предусмотрены два устройства: входные направляющие лопатки, регулирующие поток воздуха к нагрузочному компрессору, и клапан управления помпажом, обеспечивающий стабильную работу турбомашины без срывов. Ведутся исследования бортовых ВСУ с твердооксидными топливными элементами (SOFC).

Космический корабль

Космические шаттлы обеспечивали гидравлическое давление. У шаттла было три резервных АПУ, работающих на гидразиновом топливе. Они включались только во время взлета, возвращения в атмосферу и посадки. Во время взлета АПУ обеспечивали гидравлическую мощность для отклонения трех двигателей шаттла и управления их крупными клапанами, а также для движения рулевых поверхностей. Во время посадки они перемещали рулевые поверхности, выпускали шасси и приводили в действие тормоза и управление передним колесом. Посадка могла быть выполнена даже с одним работающим АПУ. В первые годы эксплуатации шаттла возникали проблемы с надежностью АПУ, с отказами в трех из первых девяти миссий.

Бронированные машины

В некоторых танках устанавливаются вспомогательные силовые установки (APU) для обеспечения электроэнергией без высокого расхода топлива и значительной инфракрасной заметности основного двигателя. Еще во время Второй мировой войны американский танк M4 "Шерман" был оснащен небольшим поршневым двигателем для зарядки аккумуляторных батарей танка, в то время как советский танк Т-34 такой функцией не обладал.

Коммерческие транспортные средства

В полуприцепе-рефрижераторе или вагоне для перевозки охлажденных или замороженных продуктов может быть установлено автономное APU и топливный бак для поддержания низкой температуры во время транспортировки, без необходимости подключения к внешнему источнику питания. На некоторых старых дизельных установках вместо электростартера для запуска основного двигателя использовался небольшой бензиновый двигатель (часто называемый "пони-двигателем"). Выхлопная система этого двигателя обычно располагалась таким образом, чтобы прогревать впускной коллектор дизельного двигателя, облегчая запуск в холодную погоду. Такие двигатели в основном применялись на крупногабаритной строительной технике.

Топливные элементы

В последние годы производители грузовиков и топливных элементов объединили усилия для разработки, испытаний и демонстрации APU на топливных элементах, который практически полностью исключает выбросы и повышает эффективность использования дизельного топлива. В 2008 году партнерство между Delphi Electronics и Peterbilt, финансируемое DOE, продемонстрировало, что топливный элемент способен обеспечивать электропитание и кондиционирование воздуха грузовика Peterbilt Model 386 в условиях, имитирующих "холостой ход", в течение десяти часов. Компания Delphi заявила, что система мощностью 5 кВт для грузовиков класса 8 будет выпущена в 2012 году по цене 8000–9000 долларов США, что сделает ее конкурентоспособной с другими дизельными APU "среднего класса" с двумя цилиндрами, при условии соблюдения сроков и соответствия заявленной стоимости.