De aanvullende vermogen eenheid

De gasturbinecompressor en de vermogen eenheid model GTCP85-180L zijn samengesteld uit een aantal eenvoudige componenten die samen zorgen voor een goede motorwerking.

6.1.2 Gebruik van de gasturbine

De APU voorziet perslucht op lage druk en een aandrijfas voor de wisselstroomgenerator. De perslucht wordt gebruikt voor het starten van de vliegtuigmotoren of het airconditioning systeem. De APU kan perslucht en de aandrijfas tezelfdertijd voorzien indien nodig.

6.1.3 Identificatienummers

Elke motor heeft zijn eigen modelidentificatienummer. Dit nummer bestaat uit een combinatie van letters en cijfers.

GT	Gas Turbine	Motortype
C	Compressor	Zorgt voor perslucht naar externe pneumatische onderdelen.
P	Power	Zorgt voor de aandrijving van externe mechanische onderdelen zoals een generator of een pomp.

Een getal volgend op de lettercombinatie, duid een familie van motoren aan waarbinnen vermogen en omvang dezelfde aërodynamica en controlesystemen hebben.

85	Groepsnummer (andere nummers zijn 30, 36, 70, 95, 100, 105, 331, 660, 700, 831).

6.1.4 APU installatie

De APU is geïnstalleerd in een compartiment voor het linkse hoofdlandingsgestel. De APU maakt het vliegtuig klaar voor grondoperaties zoals de motoren te starten, voorverwarmen van de motorgondel, airconditioning of de werking van andere pneumatische systemen. Het drijft ook een as aan voor het draaien van een wisselstroomgenerator. Daarnaast is de APU in staat elektriciteit te leveren tijdens een vlucht.

6.1.5 APU ventilatie

De te koelen lucht brengt men via een inlaatbuis door een ventilator die aangedreven is door de APU hulpdrijfwielen. De ventilator versterkt de luchtstroom naar de oliekoeler die zich aan de rechterzijde van de APU, achter de generator bevindt. De gekoelde lucht gaat langs een uitlaat onderaan de APU naar buiten.

6.1.6 Toegangsdeur van de olietank

Dit deurtje bevindt zich onder de inlaatklep van de externe luchtaanvoer. De APU olietank zit in het APU compartiment direct achter de APU generator. De tank is toegankelijk voor het vullen via de toegangsdeur.

6.1.7 Brandstoftoevoer

De brandstof wordt door de aantrekkingskracht toegevoerd vanuit de tweede hoofdtank door een mechanische schakelklep buiten de tank. De klep is open wanneer de APU controleknop in RUN of START positie staat. De klep is gesloten wanneer de controleknop in STOP positie staat of wanneer de APU brandgevaar controlehendel is ingeschakeld. De brandstofinlaat is boven het APU compartiment.

6.2 APU kenmerken

6.3 Basis gasturbine en motorwerking

6.3.1 Vliegtuig interface

De APU controlepaneel bevindt zich in het gebied boven de hoofden in de cockpit. Dit paneel bevat:

6.3.2 Algemene beschrijving van de APU

De compressor neemt een grote hoeveelheid lucht op en perst het door de brander en de turbine. Warmte-energie wordt aan de lucht toegevoegd in de brander en veroorzaakt een uitzetting van de lucht. De turbine zet de energie om in een drijfasbeweging welke wordt gebruikt om de compressor en de versnellingsbak te doen draaien.

6.3.3 Compressorgedeelte (compressor section)

De compressor mag aangenomen worden als een luchtpomp. Hij bestaat uit twee etappes die elk twee hoofdcomponenten omvatten:

De schroeven zijn aangesloten op een as die in het begin draait op een elektrische starter aangedreven door de hulpdrijfwielen. De draaiende schroef in de eerste stage schept in een groot volume van omgevingslucht (de lucht rond de compressor) en voert de lucht door aan een hoge snelheid. De lucht komt er aan de top van de schroefbladen eruit.

Nadat een hoge snelheid is verkregen, stroomt de lucht door de verspreider. Dit is een afvoerkanaal gevormd rond de schroef. Wanneer de lucht door de verspreider in vergroot volume terecht komt, is zijn snelheid verminderd (divergentie). Verminderen van de snelheid is samenhangend met vermeerderen van de luchtdruk. Dus de verspreider zet de hoge snelheid die aan de lucht gegeven werd door de schroef om naar een lagere snelheid en een hogere luchtdruk. De lucht die de eerste stage verlaat wordt verder onder druk gezet door de tweede stage compressor.

6.3.4 Turbinegedeelte (turbine section)

De turbine bestaat uit een rad (turbine wheel) en een tuit (turbine nozzle). Het rad is gelijkaardig in werking als de compressorschroef maar het is gemaakt van sterker materiaal omdat het hogere temperaturen moet weerstaan. De figuur toont een algemene opbouw van de turbine. Lucht aangevoerd door de compressor stroomt in een ruimte rond de turbine die de turbineplenum wordt genoemd. Voordat de lucht in de turbinebladen gaat, passeert het door de tuit. In die tuit wordt de lucht gedwongen van een groter naar een kleinere ruimte te stromen. Dit resulteert in een vermindering van de luchtsnelheid en een vermeerdering van de luchtdruk en dit is net de omgekeerde functie van de diffuser. In de tuit zijn schoepen zodanig gericht dat plenumlucht direct naar de turbinebladen gaat. Dus in de tuit wordt de energie in de perslucht omgezet naar een lagere druk en een hogere snelheid.

Lucht verzet zich tegen draaien en oefent een kracht uit op alles dat zijn richting kan veranderen. De lucht afkomstig van de turbinetuit en die een hoge snelheid heeft, wordt tegen de turbine geperst, de turbinebladen veroorzaken een verandering in de richting van de lucht. Als resultaat oefenen de bladen een kracht uit die op zijn beurt het turbinerad doet draaien.

De turbine zet dus pneumatische energie aangevoerd vanuit de compressor om in mechanische energie. Het vermogen geleverd door de turbine keert terug via de hoofdas om de compressor te doen draaien. De grootte van de kracht die aan het turbinerad wordt gegeven is verhoudingsgewijs met de hoeveelheid luchtstroom en zijn richting verandert over het rad.

Geen van beide componenten is 100% efficiënt. De compressor produceert niet evenveel pneumatische energie als het as-vermogen die het ontvangt. De turbine zet niet alle pneumatische energie om in mechanische energie. Om het systeem op een bepaalde snelheid te houden is het nodig om extra energie toe te voegen. De gevraagde energie is heet en wordt toegevoegd in de lucht die van de compressor naar de turbine gaat. De warmte verkrijgt men door verbranden van brandstof in de verbrander (combustion chamber). Verbranden van brandstof veroorzaakt een uitzetting van gas en de gassen worden versneld in de tuit tot een extreme hoge snelheid.

Hierdoor levert de turbine het nodige vermogen om de compressor te doen draaien. Om de turbine te laten draaien tegen volle snelheid, moet de hoeveelheid brandstofenergie groot genoeg zijn zodat het turbinevermogen de compressor behoeften overschrijd. Eens de volle snelheid bereikt, kan de brandstof toevoer teruggebracht worden tot een punt dat het uitgangsvermogen van de turbine gelijk is aan de compressor behoeften.

6.3.5 Verbrandergedeelte (combustion section)

Het vuur van de verbranding wordt binnen de verbrandingscilinder gehouden. Het ene einde van de verbrander bevindt zich in de turbineplenum het andere uiteinde is aangesloten op de torus (figuur 7). De torus is een buis dat de turbinetuit omhult. Op weg naar het turbinerad passeert de gecompresseerde lucht door openingen in de verbrandingscilinder. Brandstof wordt verstoven boven aan de verbrandingscilinder door de brandstofverstuiver. Ontbranding is alleen nodig gedurende het starten totdat de volle snelheid bereikt is.

6.3.6 Aanvullende aandrijving (accessory drive)

Een turbine is in verhouding klein en moet daarvoor op hoge snelheid draaien om zijn vermogen te ontwikkelen. De aanvullende aandrijving zet de hoge turbinesnelheden om in een lage snelheid, want voor sommige componenten is deze lage snelheid noodzakelijk. De accessory drive omvat:

Deze voorwaarden zijn ook opgesteld voor een startmotor en voor de ac-generator.

6.3.7 Belasting van een gasturbinemotor

Tot nu toe hebben we gesproken over een situatie die "idle" wordt genoemd. Dat is draaien op volle snelheid maar zonder externe belasting. In de idle-positie ontwikkelt een motor enkel genoeg vermogen om zichzelf draaiende te houden, er is geen vermogen over voor nuttig gebruik.

In de idle-positie moest maar een kleine hoeveelheid warmte energie toegevoegd worden. Maar wanneer de motor belast wordt, verminderd natuurlijk de snelheid. Om de snelheid te behouden moet dus extra warmte energie toegevoegd worden in de verbrander. Deze brandstoftoevoer gebeurt natuurlijk volautomatisch met snelheidsmeters en sensoren. Wanneer de snelheid daalt wordt de brandstoftoevoer verhoogd en omgekeerd.

Door het toevoegen van warmte energie kan de temperatuur in de turbine hoog oplopen. Daarom is de maximum veiligste belasting voor een motor de belasting dat resulteert in maximum turbine inlaat temperatuur (turbine inlet temperature, TIT).

De turbine inlaat temperatuur hangt af van twee factoren: de hoeveelheid brandstof die wordt toegevoegd en het volume van de lucht waartoe de brandstof wordt toegevoegd. De temperatuur zal hoger zijn wanneer een hoeveelheid brandstof wordt toegevoegd aan een klein volume lucht dan wanneer dezelfde hoeveelheid brandstof wordt toegevoegd aan een groter volume lucht. De temperatuur wordt dus beïnvloed door de dichtheid van de lucht die door de compressor stroomt. De dichtheid van de lucht is wordt bepaald door de vlieghoogte zowel als de druk en temperatuur van de lucht in de compressor. Daarom zal het vermogen dat een motor veilig kan voortbrengen verminderen wanneer de vlieghoogte of de temperatuur toeneemt of wanneer de druk vermindert.

6.3.8 Perslucht belasting

Tot hier werd alleen het asvermogen besproken. Gasturbinemotoren zijn ook in staat een pneumatisch vermogen te leveren. Dit bereikt men doordat men compressorlucht laat stromen door belastingscontroleklep, die zich bevindt tussen de compressor en de verbrander. Wanneer deze klep open is, wordt een hoeveelheid compressorlucht omgeleid van de motor stroomt naar pneumatische systemen.

Het uitlaatperslucht van de compressor verandert de behoefte aan asvermogen niet aangezien het steeds hetzelfde luchtvolume moet pompen, maar de uitlaatperslucht neemt een hoeveelheid pneumatische energie weg die eerst voor de aandrijving van de turbine voorzien was. Daardoor vermindert het asvermogen en de snelheid. Om de snelheid en het vermogen gelijk te houden, moet de brandstof toevoer naar de verbrander vergroten.

Wel moet men altijd rekening houden met de in- en uitlaat temperatuur. Deze temperaturen mogen niet overschreden worden.

6.4 Mechanische constructie

6.4.1 Algemeen

De GTCP85-180L is een gasturbinemotor met één drijfas die gebruikt maakt van een tweetraps compressor, een enkel kan-type verbrander en een ééntraps radiale toestromings turbine.

Een compressortrap bestaat uit een schroef en een verspreider. De schroef uit de eerste trap is van het dubbele ingangstype (twee schroeven rug tegen rug). De schroef uit de tweede trap is een enkel ingangstype. De functie van de twee compressor achter elkaar is het produceren van de nodige luchtdruk

De turbine en de schroeven zijn bevestigd op een gemeenschappelijke as die ondersteund wordt door twee onder druk gesmeerde lagers. Een radiaal absorberende lager bevindt zich op het einde van de compressor-as en een radiaal zwevende tab lager bevindt zich tussen de compressor en de turbine. De schikking van deze componenten is te zien op figuur 10.

6.4.2 De draairichtingen

De turbine en de compressor draaien in wijzerzin kijkend op de uitlaat en de as van het uitgangsvermogen draait in wijzerzin kijkend op de accessory drive.

6.4.3 Luchtstromen

De weg die de lucht aflegt is ook aangeduid op de figuur. De lucht wordt in de eerste compressor gezogen door een filterende inlaat. Na de eerste compressor wordt de lucht geleid naar de tweede trap. De lucht wordt verder gecompresseerd in de tweede schroef en verspreider en wordt verzameld in de turbineplenum

Tijdens de persluchtbelasting, wordt een hoeveelheid perslucht omgeleid door de belastingscontroleklep. De rest van de gecompresseerde lucht passeert door de kan-type verbrander. Brandstof wordt er in het eerste gedeelte van de verbrander geïnjecteerd door de brandstofverstuiver. De kleine brandstofdeeltjes worden verbrand door de ontbranderplug. Van de verbrander stroomt het warme gas door de torus waar de turbinetuit het gas tegen de turbinebladen stuwt.

Energie wordt ontnomen uit deze warme gassen door de turbine om de compressor en de randapparatuur aan te drijven. Van de turbine stroomt het gas door de uitlaat de atmosfeer in.

6.4.4 Mechanische constructie

Over de constructie van de verschillende onderdelen zoals de compressor, vermogengedeelte, verbrander, koeling, enz., ga verder niets vermelden. Ook het smeringsysteem, de brandstoftoevoer, het controlesysteem van de pneumatische belasting en de temperatuurcontrole laat ik links liggen.

1) TOLLET, R., C130 ATA 49 APU GTCP 85, Sabena Technical Training, Zaventem, 1997, p 6 - 118

6. De aanvullende vermogen eenheid (Auxiliary Power Unit -APU)¹⁾

6.1 Inleiding

6.1.1 Algemene informatie

6.1.2 Gebruik van de gasturbine

6.1.3 Identificatienummers

6.1.4 APU installatie

6.1.5 APU ventilatie

6.1.6 Toegangsdeur van de olietank

6.1.7 Brandstoftoevoer

6.2 APU kenmerken

6.3 Basis gasturbine en motorwerking

6.3.1 Vliegtuig interface

6.3.2 Algemene beschrijving van de APU

6.3.3 Compressorgedeelte (compressor section)

6.3.4 Turbinegedeelte (turbine section)

6.3.5 Verbrandergedeelte (combustion section)

6.3.6 Aanvullende aandrijving (accessory drive)

6.3.7 Belasting van een gasturbinemotor

6.3.8 Perslucht belasting

6.4 Mechanische constructie

6.4.1 Algemeen

6.4.2 De draairichtingen

6.4.3 Luchtstromen

6.4.4 Mechanische constructie

6. De aanvullende vermogen eenheid (Auxiliary Power Unit -APU)1)

6.1 Inleiding

6.1.1 Algemene informatie

6.1.2 Gebruik van de gasturbine

6.1.3 Identificatienummers

6.1.4 APU installatie

6.1.5 APU ventilatie

6.1.6 Toegangsdeur van de olietank

6.1.7 Brandstoftoevoer

6.2 APU kenmerken

6.3 Basis gasturbine en motorwerking

6.3.1 Vliegtuig interface

6.3.2 Algemene beschrijving van de APU

6.3.3 Compressorgedeelte (compressor section)

6.3.4 Turbinegedeelte (turbine section)

6.3.5 Verbrandergedeelte (combustion section)

6.3.6 Aanvullende aandrijving (accessory drive)

6.3.7 Belasting van een gasturbinemotor

6.3.8 Perslucht belasting

6.4 Mechanische constructie

6.4.1 Algemeen

6.4.2 De draairichtingen

6.4.3 Luchtstromen

6.4.4 Mechanische constructie

6. De aanvullende vermogen eenheid (Auxiliary Power Unit -APU)¹⁾