viernes, 20 de enero de 2017

El aire de sangrado (Bleed Air) ...en plan sencillo

El aire es muy necesario en los aviones, y no nos referimos al aire que pasa por las alas para crear sustentación. Estamos hablando de las fuentes de aire y del aire de sangrado de los motores en particular. En los aviones comerciales modernos se utiliza el aire entre otras cosas para:

  • Arrancar los motores,
  • Presurizar el agua de los lavabos,
  • Aplicar el anti-hielo a motores y alas,
  • Presurizar la cabina,
  • Acondicionar el aire,
  • Presurización del sistema hidráulico (contenedores),
  • Otros sistemas menores.

El aire puede provenir de diferentes fuentes. En tierra se puede acoplar un carrillo externo o una conexión del propio finger para poder suplir con aire los servicios del avión. El carro externo se denomina GPU (Ground Power Unit) y puede suplir aire de alta y baja presión, además de la electricidad apropiada para el avión (115 voltios a 400 Hz y 3 fases). También se puede utilizar la unidad de potencia auxiliar (APU) que lleva el propio avión. Esta unidad es básicamente un pequeño motor con turbina que también puede proporcionar electricidad. Utilizar en tierra esta unidad puede estar limitado en algunos aeropuertos por su alta contaminación del ambiente aeroportuario. En vuelo, además del APU, se utilizan los propios motores del avión para poder conseguir una fuente de aire. Los motores del avión son la fuente primaria de potencia neumática y aire en general. En el gráfico que se puede ver debajo se aprecian los dispositivos básicos de un sistema de aire.



El aire y sus fuentes es gestionado por un "sistema lógico" establecido en ordenadores dedicados que controlan una serie de válvulas electrónicas, que a su vez permiten, bloquean o redireccionan este aire en función de los sistemas que lo necesiten y una jerarquía preestablecida. La utilización de aire de sangrado siempre le quita potencia al motor, pero estos son lo suficientemente potentes como para poder impulsar el avión y ofrecer algún servicio de sangrado. En caso de emergencia, como cuando el piloto se enfrenta al "windshear" en un despegue, siempre se puede avanzar la palanca de gases para cortar todos los servicios de sangrado y permitir la potencia máxima a los motores. El aire de sangrado penaliza también el consumo de combustible y las características del avión. Ya se sabe, en física nada es gratis, lo que se gana por un lado se pierde por otro. Debajo cuando se habla del sistema anti-hielo se pone un ejemplo.

Aire caliente y de alta presión procedente de los motores


Cuando el aire entra en un motor de turbina, pasa a través de una serie de compresores, lo que aumenta significativamente la temperatura y la presión del aire antes de mezclar ese aire con el combustible y encenderlo. Sin embargo, una pequeña porción de ese aire comprimido no entra en la cámara de combustión y en su lugar es redirigida desde el motor a través de válvulas, conductos y colectores a otras zonas del avión. Este aire de sangrado del motor es muy caliente, entre 200 a 250 grados centígrados, y muy alto en presión, alrededor de 40 psi, ya que se suele obtener directamente de los escalones de baja (quinto escalón) y alta presión (noveno escalón de compresión), dependiendo del tipo de motor. Antes de pasar este aire a la cabina o a otros sistemas del avión debe de ser acondicionado convenientemente. En el vídeo que se muestra a continuación se puede apreciar de donde procede este aire. En raras ocasiones, además del aire, el sistema de sangrado podría llevar en suspensión algunas partículas que se desprenden del sistema de lubricación del propio motor y del sistema hidráulico. Tal como se explica en el vídeo, es tarea del piloto saber detectar si el aire que entra en la cabina puede estar contaminado.


Presurización de Cabina y Aire Acondicionado


Debido a que el aire a gran altitud es demasiado fino (poco denso) y la presión es tan baja para satisfacer las necesidades humanas de oxígeno, se utiliza el aire de sangrado (purgado) del motor para proporcionar la presurización adecuada de la cabina, así como el aire acondicionado. Después de salir del motor y pasar a través del paquete de aire acondicionado, donde se enfría, este aire de purga se combina con el aire recirculado de la cabina antes de que entre en la cabina. La proporción de aire fresco/recirculado en la familia E-Jet es de 52% (fresco) y 48% recirculado. El sistema que proporciona sangrado o purga se denomina a veces en inglés como "Pneumatic Power". 

Anti-hielo


El aire purgado a alta temperatura procedente de los motores se dirige a los bordes delanteros del ala (slats) y algunas veces también al empenaje, así como a componentes clave del motor, como los difusores de entrada, donde sirve como elemento protector contra la acumulación de hielo. En los aviones comerciales modernos no se suele permitir que el APU proporcione aire para el sistema anti-hielo.

Como decíamos más arriba, el uso del aire de sangrado para los diferentes servicios merma las prestaciones de la aeronave y afecta al consumo. El impacto económico puede ser grande. Debajo se muestra una típica tabla de ascenso para el avión E-Jet 190 de Embraer. En dicha tabla se puede ver las prestaciones que tiene el avión en ascenso. En el ejemplo se calcula tiempo, distancia recorrida y combustible empleado para ascender desde el nivel del mar a 35.000 pies de altura. Si el peso del avión es 48 toneladas y no existen desviaciones de temperatura, entonces emplearemos 1.237 kg de combustible (unos 620 euros para el que quiera saber lo que costaría), nos llevaría 21 minutos y habremos recorrido una distancia de 134 millas náuticas (248 km).  La tabla calcula directamente estos valores basándose en condiciones normales. SI existe la condición de hielo, el avión (o el piloto) abre las válvulas de sangrado. En la parte de debajo de la tabla existen unas cifras que representan un tanto por ciento (%) y se aplican para el cálculo precisamente cuando estas válvulas de sangrado están abiertas.


Como se puede apreciar, la operación de subir a 35.000 pies de altura nos saldría un 17% más cara (724 euros), emplearíamos cinco minutos más de vuelo y recorreríamos casi 60 km más.

Presurización del agua y del sistema hidráulico


El aire de sangrado del motor se utiliza también para proporcionar presurización en el sistema del agua y los depósitos del sistema hidráulico. Tal presurización propulsa el agua potable desde el tanque donde se contiene a los lavabos situados en la cabina. El aire de sangrado también asegura el flujo continuo y sin fluctuaciones del fluido hidráulico cuando este va camino de la bomba. Esto es de gran importancia en ausencia de suficiente presión atmosférica a gran altitud. Este servicio de presurización no es tan costoso como el sistema anti-hielo.

Arranque del motor


El aire de sangrado a gran presión procedente de la unidad de potencia auxiliar, un motor que no produce empuje, situado a menudo en la parte trasera de la aeronave, proporciona la energía neumática necesaria para iniciar la rotación de los álabes de un motor principal. El APU suele tener unas limitaciones que todo piloto debe conocer. No es posible intentar usar el APU para arrancar un motor cuando se vuela muy alto. La presión de aire que proporciona el APU se ve muy reducida a gran altura. En caso de fallo de motor a gran altura se suele utilizar el otro motor para intentar volver a arrancar el motor que ha fallado en lo que se denomina un arranque cruzado. Aunque cada fabricante de aviones tiene sus propios procedimientos, en general los aviones comerciales modernos se arranca en tierra casi siempre de la misma manera cuando no se cuenta con energía eléctrica exterior:

  1. se conectan las baterías.
  2. con las baterías se arranca el APU
  3. una vez en marcha el APU se sangra aire a presión 
  4. con el aire del APU se mueve el motor
  5. en un momento dado entra en marcha la ignición, se inyecta el combustible y se produce el quemado en la cámara de combustión del motor.
  6. el motor es autónomo y ya no necesita el APU.
Durante el proceso de arranque se requiere todo el aire que la potencia auxiliar pueda ofrecer, por ello no es raro que durante el proceso se pierda el sistema de aire acondicionado.

Aviones modernos sin sangrado de aire


Los sistemas de sangrado de aire han sido utilizados desde hace décadas en los aviones de pasajeros. Como se comentaba más arriba, estos sistemas de sangrado le restan potencia al motor, degradan las características (performance) y hacen que el avión consuma más combustible.  En algunos aviones de última generación se ha optado por no utilizar estos sistemas. Las recientes mejoras en la electrónica de estado sólido han permitido reemplazar estos sistemas de energía neumáticos por sistemas de energía eléctrica. En un avión sin sangrado como el Boeing 787, cada motor tiene dos generadores eléctricos de frecuencia variable para compensar que no suministra aire comprimido a sistemas externos. Según los defensores de estos aviones se piensa que la eliminación del aire de sangrado y su sustitución por un sistema de generación extra eléctrica proporcionan una mejora de eficiencia del motor, menor peso y facilidad de mantenimiento.Todavía está por ver si estos aviones dan el resultado esperado. Como ya se sabe el 787 ha tenido grandes problemas con el sistema eléctrico.

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