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補助動力装置( APU ) は、車両に搭載され、推進以外の機能にエネルギーを供給する装置です。大型航空機、海軍艦艇、および一部の大型陸上車両によく見られます。航空機用 APU は、一般的に 400 Hzの 115 V ACを生成し (一般的な主電源の50 Hz または 60 Hz とは異なります)、航空機の電気系統を稼働させます。中には 28 V DCを生成できるものもあります。[ 1 ] APU は、単相または三相システムを介して電力を供給できます。ジェット燃料スターター( JFS ) は、APU に似た装置ですが、メインエンジンに直接接続され、機内の圧縮空気ボンベによって始動されます。[ 2 ]
第一次世界大戦中、イギリス海軍が運用していた数種類の飛行船のうちの1つであるイギリス沿岸級飛行船には、1.75馬力（1.30kW ）のABC補助エンジンが搭載されていた。これは機体の無線送信機用の発電機を駆動し、緊急時には補助送風機を駆動することもできた。[注1 ] [ 3 ] APUを使用した最初の軍用固定翼機の1つは、第一次世界大戦中のイギリスのスーパーマリン・ナイトホークで、ツェッペリン飛行船に対する夜間戦闘機だった。[ 4 ]
第二次世界大戦中、多数の大型アメリカ軍用機にAPUが搭載された。これらは公式の訓練文書でも一般的に「パットパット」と呼ばれていた。B -29スーパーフォートレス爆撃機のパットパットは、機体後部の非与圧部に搭載されていた。4ストローク水平対向2気筒またはV型2気筒エンジンの様々なモデルが使用された。7馬力（5.2kW ）のエンジンは、定格28.5ボルト、200アンペアのP2直流発電機を駆動した（主エンジンで駆動される同じP2発電機のいくつかが、飛行中のB-29の直流電源であった）。パットパットは主エンジンの始動に電力を供給し、離陸後から高度10,000フィート（3,000m ）まで使用された。パットパットはB-29が着陸のために降下する際に再始動された。[ 5 ]
B-24 リベレーターの一部のモデルでは、機体前部のノーズホイールコンパートメント内にパットパットが取り付けられていた。[ 6 ]ダグラス C-47 スカイトレイン輸送機の一部のモデルでは、コックピットの床下にパットパットが搭載されていた。[ 7 ]
第二次世界大戦中に製造された最初のドイツ製ジェットエンジンは、ドイツ人エンジニアのノルベルト・リーデルが設計した機械式APU始動システムを採用していた。これは、10馬力（7.5kW ）の2ストローク水平対向エンジンで構成されており、ユンカース Jumo 004の設計では、エンジンのノーズコーン内に隠されていた。これは、ジェットエンジンの始動用補助動力装置の先駆的な例と言える。コーンの最先端にある穴には手動のプルハンドルがあり、これを引いてピストンエンジンを始動させ、コンプレッサーを回転させた。Jumo 004 のノーズコーンには、リーデル式ユニットのシリンダーをその場で整備するためのスパークプラグアクセスポートが2つ設けられていた。リーデル式エンジンのガソリン/オイル混合燃料用の小型「プレミックス」タンクが2つ、環状吸気口に取り付けられていた。このエンジンは、Jumo 004 のようなジェットエンジンのノーズコーン内に収まるように、極めて短いストローク (ボア / ストローク: 70 mm / 35 mm = 2:1) 設計とみなされていました。減速には、遊星歯車が組み込まれていました。ニュルンベルクのヴィクトリア社で製造され、1945 年 5 月までに少なくとも試作段階に達した 3 つのドイツ製ジェットエンジン設計すべて(ユンカース Jumo 004、BMW 003 (リーデル APU に電気スターターを使用しているのが特徴的)、[ 8 ] 、およびより先進的なハインケル HeS 011エンジンの試作機 (19 機製造)) の機械式 APU スタイルのスターターとして機能しました。HeS 011エンジンは、エンジン ナセル ノーズのハインケル製の板金の吸気通路のすぐ上に搭載されていました。[ 9 ]
1963年に登場したボーイング727は、ガスタービンAPUを搭載した最初のジェット旅客機であり、地上設備に依存せずに小型空港で運航することが可能になった。多くの現代の旅客機では、機体尾部の排気管によってAPUを識別することができる。[ 10 ]
商用輸送機に搭載される一般的なガスタービン式補助動力装置（APU）は、主に3つの部分から構成されています。
動力部はエンジンのガス発生器部分であり、APUに必要なすべての軸動力を生成します。[ 11 ]このエンジン部分では、空気が圧縮され、燃料と混合され、点火されて高温で膨張するガスが生成されます。このガスは非常にエネルギーが高く、タービンを回転させるために使用され、タービンは補助ギアボックス、ポンプ、発電機などのエンジンの他の部分を駆動します。[ 12 ]
負荷コンプレッサーは一般的にシャフトに取り付けられたコンプレッサーで、航空機に空気圧動力を供給しますが、一部のAPUは動力部コンプレッサーから抽気します。空気の流れを制御するために作動するデバイスが2つあります。1つは負荷コンプレッサーへの空気の流れを調整するインレットガイドベーン、もう1つはターボマシンの安定した、またはサージのない動作を維持するサージ制御弁です。[ 11 ]
ギアボックスは、エンジンのメインシャフトから油冷式発電機に動力を伝達し、電力を生成します。ギアボックス内部では、燃料制御ユニット、潤滑モジュール、冷却ファンなどのエンジン付属機器にも動力が伝達されます。また、ギアトレインを介して接続されたスターターモーターが、APUの始動機能を実行します。一部のAPU設計では、複雑さを軽減するために、APUの始動と発電の両方にスターター/ジェネレーターを一体化したものが使用されています。
ボーイング787は電気系統への依存度が高い航空機であり、APUは航空機に電力のみを供給する。空気圧システムがないため設計は簡素化されるが、電力需要が高いため発電機はより重くなる。[ 13 ] [ 14 ]
補助動力装置市場はハネウェルが支配的で、プラット・アンド・ホイットニー（ RTX Corporationの子会社）、モーターシッチ、その他PBS Velká Bíteš、Safran Power Units、Aerosila、Klimovなどのメーカーがそれに続く。2018年の市場シェアはアプリケーションプラットフォームによって異なった。[ 16 ]
2018年6月4日、ボーイングとサフランは、 2018年後半に規制当局と独占禁止法の承認を得た後、APUの設計、製造、サービスを行うための50対50のパートナーシップを発表した。 [ 17 ] ボーイングは1960年代初頭に数百台のT50 / T60小型ターボシャフトとその派生型を生産した。サフランはヘリコプターとビジネスジェット用のAPUを生産しているが、 1996年にラビナルがサンドストランドとのAPIC合弁事業から撤退して以来、大型APUの生産は中止している。[ 18 ]
オンラインニュースサイトFlightGlobalのジャーナリスト、Stephen Trimble 氏は、ボーイングとサフランの APU 市場における進歩は、ハネウェルとプラット・アンド・ホイットニーの二大寡占に脅威を与えていると述べている。[ 19 ]ハネウェルはメインライナーAPU 市場で 65% のシェアを占めており、エアバス A350、ボーイング 777、およびすべての単通路機(ボーイング 737 MAX、エアバス A220 (旧ボンバルディア C シリーズ)、コマック C919、イルクート MC-21、エアバス A320neo ) の唯一のサプライヤーである。エアバスが P&WC APS3200オプションを廃止したためである。P &WC は残りの 35% をエアバス A380、ボーイング 787、ボーイング 747-8で主張している。[ 18 ]
ボーイング/サフランの合弁事業がサービス収益1億ドルに達するには、少なくとも10年かかるはずだ。2017年の生産市場は8億ドル（民間88%、軍事12%）だったのに対し、MRO市場は24億ドルで、民間と軍事でほぼ均等に分かれていた。[ 20 ]
スペースシャトルのAPUは油圧を供給した。スペースシャトルには、ヒドラジン燃料で動く冗長なAPUが3基搭載されていた。これらは上昇、再突入、着陸の時のみ作動した。上昇中、APUはシャトルの3基のエンジンのジンバル運動と大型バルブの制御、および操縦翼面の動きに油圧を供給した。着陸時には、操縦翼面を動かし、車輪を下げ、ブレーキと前輪操舵に動力を供給した。1基のAPUが作動するだけでも着陸は可能だった。[ 21 ]シャトルの初期にはAPUの信頼性に問題があり、最初の9回のシャトルミッションのうち3回で故障が発生した。[注2 ]
APUは、メインエンジンのような高い燃料消費量や大きな赤外線シグネチャなしに電力を供給するために、一部の戦車に搭載されています。第二次世界大戦の時点で、アメリカのM4シャーマン戦車には、戦車のバッテリーを充電するための小型ピストンエンジン駆動のAPUが搭載されていましたが、ソ連製のT-34戦車にはこの機能はありませんでした。[ 26 ]アメリカ陸軍戦車自動車研究開発技術センター（TARDEC）は、 230kgのバッテリーを置き換えるために、 M1エイブラムス戦車用の100kgの補助動力装置（APU）を開発しました。新しいAPUは、戦車のメインエンジンよりも燃費効率も優れています。[ 27 ]
冷蔵または冷凍食品のセミトレーラーまたは貨車には、輸送中に外部の輸送用電源を必要とせずに貨物の低温を維持するために、独立したAPUと燃料タンクが装備されている場合があります。[ 28 ] [ 29 ]
古いディーゼルエンジン搭載機器の中には、メインエンジンの始動に電気モーターの代わりに小型ガソリンエンジン（「ポニーエンジン」と呼ばれることが多い）が使用されるものもあった。ポニーエンジンの排気経路は、寒い天候での始動を容易にするために、ディーゼルエンジンの吸気マニホールドを温めるように配置されているのが一般的だった。これらは主に大型建設機械で使用されていた。[ 30 ] [ 31 ]
近年、トラックメーカーと燃料電池メーカーは協力して、ほぼすべての排出ガスを排除し[ 32 ]、ディーゼル燃料をより効率的に使用する燃料電池APUを開発、テスト、実証してきた[ 33 ] 。 2008年には、DOEが後援するデルファイ・エレクトロニクスとピータービルトの提携により、燃料電池が模擬「アイドリング」条件下でピータービルト モデル386の電子機器とエアコンに10時間電力を供給できることが実証された[ 34 ] 。
始動手順は次のとおりです。始動エンジンは、電気プライマースイッチを閉じてプライミングし、次にターボジェットの点火とリーデルエンジンの点火および電気始動モーターをオンにします（このエンジンは、ケーブルを引いて手動で始動することもできます）。リーデルユニットが約300rpmの速度に達すると、自動的にターボジェットのコンプレッサーシャフトに接続されます。始動エンジンが約800rpmになると、始動燃料ポンプがオンになり、1,200rpmでメイン（J-2）燃料がオンになります。ターボジェットが2,000rpmに達するまでスターターエンジンは接続されたままになり、その時点でスターターエンジンと始動燃料がオフになります。ターボジェットエンジンはJ-2燃料で定格回転数9,500rpmまで急速に加速する。
それでもシャーマンの大きな利点の 1 つはバッテリーの充電でした。私たちの T-34 では、バッテリーを充電するために、500 馬力のエンジンをすべて稼働させる必要がありました。シャーマンの乗員室には、オートバイのエンジンのような小さな補助ガソリン エンジンがありました。それを始動すると、バッテリーが充電されました。これは私たちにとって大きなことでした。
Delphiは、5kWのAPUを2012年に市場に投入すると述べている。