Sistema neumático de una aeronave

Los sistemas neumáticos en aviones operan de manera muy parecida a los sistemas hidráulicos. Estos sistemas cumplen funciones principales y auxiliares. En primer lugar, la neumática se emplea a veces como fuente primaria de potencia para mandos de vuelo.

La principal diferencia con el hidráulico es que el neumático de potencia emplea aire a pre­sión, en lugar de fluidos hidráulicos, como medio transmisor de potencia a los martinetes (neumáticos) de los mecanismos del avión.​

Esquema general sistema neumático de una aeronave

Clasificación de los sistemas neumáticos

Los sistemas neumáticos se clasifican en tres grupos:

Sistemas de alta presión

Oscilan de 65 kg/cm² a 350 kg/cm². Son los siste­mas neumáticos de potencia, propiamente dichos. El sistema no puede ser recargado durante el vuelo y está reservado para operaciones de emergencia (tren y frenos). Emplean un depósito con dos válvulas (de carga y de control).

Sistemas de presión intermedia

Oscilan entre presiones de 7 kg/cm² a 65 kg/cm². No tienen depósito y toman el aire del compresor de la turbina. Se usan para deshielo del motor y ala (entre otros).

Sistemas de baja presión

Presiones que oscilan de 0,1 k g/cm² a 7 kg/cm². Los sistemas neumáticos de baja presión e encuentran, sobre todo, en los aviones pequeños con motor de émbolo. Suministran aire para el accionamiento de instrumentos giroscópicos, circuitos de algunos pilotos automáticos, deshielo neumático, etc.

La mayoría de los sistemas neumáticos de potencia empleados tienen una presión nominal en torno a los 250 kg/cm² (3.500 psi), lo que supondría que generalmente son sistemas de alta presión.

Fuentes de aire a presión

Las fuentes de aire a presión disponibles a bordo son:

Para aviones con motores de turbina:

• Aire obtenido mediante compresores accionados por el motor. Los sistemas neumáticos de potencia, tanto para aviones reactores como para aviones con motor alternativo, emplean este sistema como fuente de aire a presión.
• De forma auxiliar, y en tierra, es posible la conexión a una fuente externa de presión.
• Aire extraído (sangrado) del compresor del motor. La presión obtenida de esta forma tampoco es suficiente para su empleo en sistemas neumáticos de potencia.

Para aviones con motores de émbolo:

Puede llegar a emplear o utilizar los mismos métodos que los aviones con motor de turbina, salvo el que consiste en purgar aire del motor. En cambio si utiliza este método no para el sistema neumático de potencia en sí sino para sistemas de presurización de cabina, sistema antihielo...

En lo que concierne a los aviones con turborreactores se citan los sistemas que generalmente hacen uso del aire comprimido:

1. Sistema de potencia neumática
2. Sistema de deshecho de desperdicios
3. Sistema antihielo (avión y motor)
4. Sistema de agua potable
5. Sistema de acondicionamiento de aire
6. Ventilación compartimentos de aviónica
7. Sistema de puesta en marcha cruzada
8. Presurización de depósitos hidráulicos

   

   Diagrama del funcionamiento de un turborreactor.

Diferencias con el sistema hidráulico

Ambos sistemas, neumático e hidráulico, son muy similares y usan un fluido confinado en el circuito, aunque hay una gran diferencia en las características de ambos. Los líquidos son prácticamente incompresibles, mientras que los gases son altamente compresibles. A pesar de esta diferencia, tanto los gases como los líquidos son fluidos y pueden ser confinados y tratados para transmitir energía, es decir, para reforzar las acciones de mando del piloto.

Debido a la estas diferencias existen ciertas mejoras de los sistemas neumáticos frente a los hidráulicos:

1. El aire, que es el agente que emplea el sistema como medio transmisor de la potencia neumática, se encuentra libremente en la atmósfera mientras que el fluido hidráulico hay que llevarlo a bordo.
2. Las tuberías y todas las canalizaciones del sistema neumático son de me­nor tamaño que las hidráulicas, debido a la alta compresibilidad del aire.
3. No se precisan las líneas de retorno de fluido del sistema. Sencillamente, una vez efectuado el servicio neumático el aire es expulsado a la atmósfera. La atmósfera es la "conducción" de retorno de los sistemas neumáti­cos de potencia.

Junto a estas ventajas, de ahorro de peso, hay ciertos inconvenientes.

1. Son necesarias presiones muy altas para efectuar los movimientos de los mecanismos y superficies de control del avión
2. El sistema neumáticos no es apropiado cuando los desplazamientos volumétricos de los martinetes son grandes.

En particular, la alta presión del sistema neumático de potencia presenta un fallo notable, las fugas de aire. El problema adquiere más importancia en aviones de mediano y gran tamaño cuyos martinetes precisan grandes desplazamientos volumétricos para efectuar los movimientos. Las fugas de aire en el sistema, y su trazabilidad, representan un problema de tal magnitud que puede afectar al movimiento seguro del mecanismo.​

Requisitos de los sistemas neumáticos

Los componentes de sistemas neumáticos para aviones comerciales deben cumplir dos requisitos:

• Superar ensayo de integridad estructural
• Superar ensayo de operatividad funcional

Componentes del sistema neumático de potencia

El sistema neumático es un sistema cerrado. Los componentes básicos del sistema son: compresores, botellas de almacena­miento de aire de alta presión, válvula de descarga de presión, válvulas reductoras de presión, válvulas de alivio de presión, y válvulas de control de flujo y martine­tes neumáticos.

Compresor

Compresor axial

El compresor es una bomba de pistones, de dos o cuatro etapas según las nece­sidades de presión del sistema. Normalmente es impulsado por el motor a través de la caja de engranajes. Hay también en el mercado compresores eléctricos. Los compresores de cuatro etapas suministran aire a presión hasta 3.500 psi (246 kg/cm², aproximadamente).

El tipo de compresor más usado tiene dos cilindros con sus correspondientes pistones. Está preparado para realizar cuatro fases de compresión por cada revolu­ción de la manivela del pistón, gracias a que comprime el aire tanto en el movi­miento de subida como de bajada del pistón. Cuando el aire se comprime en las dos fases del cilindro número 1 pasa al cilin­dro número 2. Los dos pistones, colocados en serie, permiten realizar las cuatro fa­ses de compresión de los sistemas neumáticos de muy alta presión.

Entre fase y fase el aire se enfría en un intercambiador de calor. Esto permite dismi­nuir el trabajo necesario para obtener la relación de compresión prevista.

Martinetes neumáticos

Al igual que los martinetes hidráulicos, los marti­netes neumáticos tienen la función de transformar la energía presente en el aire comprimido en movimientos lineales o giratorios de distintos mecanismos.

A diferencia de los martinetes hidráulicos, los martinetes neumáticos están ex­puestos a movimientos repentinos muy enérgicos. Ello se debe a la compresibili­dad del aire. Por consiguiente casi todos ellos disponen de mecanismos contra sacudidas o de rebote, que amortiguan los impulsos de presión que reciben los pis­tones cuando se comunican con la línea neumática de servicio.

Botellas de almacenamiento de aire a presión

Las botellas de aire actúan como acumuladores de aire comprimido. Su función es suministrar aire a presión al sistema. Los compresores son meramente órganos de restablecimiento de la presión de aire de las botellas. La capacidad de las botellas debe ser suficiente para todos los servicios neumáticos, incluidos los de emergencia, para los que se dedica normalmente una botella específica.

El material empleado en la fabricación de las botellas es acero de muy alta re­sistencia mecánica Las botellas se someten a inspecciones y pruebas hidrostáticas de presión cada intervalo de tiempo especificado.

Cabe decir que el sistema también cuenta con los correspondientes manómetros para el control de las botellas.

Válvulas

De descarga

Esquema de una válvula de bola

Es la reguladora de presión del sistema. Tiene dos funciones principales:

1. Con­trolar la presión máxima del sistema
2. Permitir que el compresor funcione sin car­ga cuando el sistema no precisa de su funcionamiento.

Consiste en una válvula de bola que se abre cuando la presión a la salida de la segunda etapa de compresión sobrepasa un cierto valor. En este caso la válvula de bola alivia toda la presión de la tercera fase de compresión, funcionando el siste­ma solo con las dos primeras.

No obstante, las botellas de aire están a presión máxima, de manera que es posi­ble cualquier servicio neumático. Si la presión en la línea cae por debajo de un cierto valor, la válvula de bola se cierra y de nuevo entran en funcionamiento los cuatro grupos de compresión.

Las válvulas de descarga mantienen la presión del sistema entre 2.900 y 3.300 psi. Si la presión del aire aumenta entra en acción la válvula antirretorno que "atrapa" el circuito, manteniendo la presión, mientras que la válvula de descarga dirige la salida del compresor a la atmósfera.

De lanzadera

Cumplen en los sistemas neumáticos de potencia la misma función que en los sistemas hidráulicos. Está situada entre el compresor y la línea principal. Cuando se conecta un carro neumático en la boca de servicio del sistema, la lanzadera se desplaza al otro extremo y permite cargar el sistema. En realidad esto sucede siempre que la fuente de presión de servicio en tierra es mayor que la del sistema, no solo cuando los motores del avión están parados.

Reductoras de presión

Las válvulas reductoras tienen la función de disminuir la presión de aire para los subsistemas que no requieren la alta presión de línea que mantienen las botellas. Las válvulas reductoras mantienen una presión diferencial aproximadamente constante, entre el subsistema y la atmósfera.

En realidad, la mayor parte de los componentes del sistema, incluido el tren de aterrizaje, puerta de pasajeros, etc, funcionan con presiones del orden de 1.000 psi (70 kg/cm²), esto es, valores inferiores a los máximos que puede suministrar el sistema.

De aislamiento o mantenedoras de presión

Como su nombre indica mantienen la presión en la línea, o en un segmento de ella. Es una válvula que manipula el técnico de mantenimiento para realizar servi­cios^' en el sistema sin necesidad de tener que descargar todas las botellas de aire comprimido.

Purgador de agua

El purgador de agua tiene la función de eliminar el agua suspendida que puede estar presente en el aire que sale del compresor.

El aire entra en el purgador a la presión normal de salida del compresor, y es di­rígido contra unos tabiques colectores de agua, donde se deposita. Cuando el sis­tema esta inactivo, y la presión del aire desciende por debajo de un determinado valor (digamos, 450 psi, equivalentes a 30 kg/cm²) se abre la válvula de drenaje y escurre el agua separada en el purgador. El aire de servicio entra finalmente filtra­do en el sistema con malla de 10 μm, lo que da idea de su grado de limpieza.

Filtros

Se emplean para eliminar residuos y evitar que estos se depositen en los conductos y válvulas haciendo menos eficaz el sistema. Básicamente funcionan haciendo pasar aire a través de la malla filtrante o cartucho reteniendo las partículas. Los residuos se depositan en el fondo y si el filtro estuviese muy sucio, se abre una válvula de alivio que deja pasar el aire sin filtrar. El cartucho debe ser reemplazado con regularidad para evitar estas situaciones.

Deshumectador

El deshumectador elimina la humedad del aire comprimido. Se impide de esta forma la posible formación de hielo en las válvulas y tuberías del sistema.​​

Sistema neumático de emergencia

El sistema neumático de po­tencia tiene su propio subsistema de emergencia, con botella de aire comprimido específica para estos fines. Generalmente los aviones menos modernos hacen uso del sistema hidráulico normal, más otro neumático para emergencias, este último como respaldo del primero.

Por lo tanto se distinguen dos situaciones:

• En los aviones con sistema exclusivo neumático de potencia, el sistema de emergencia se alimenta del sistema principal, en tanto funcione, a través de una válvula antirretorno (dirección sistema principal-sistema de emergen­cia). Dentro del circuito de emergencia se incluyen el sistema de acciona­miento de bajada de los flaps, tren de aterrizaje y la aplicación de frenos, en­tre otros.
• En funciones de sistema alternativo al hidráulico o hidráulicos principales

Tiene, no obstante la característica de disponer de una botella neumática de prioridad. Cuando la presión de las botellas de servicio desciende por debajo de un cierto valor, la válvula de lanzadera aísla el circuito de líneas prioritarias de tal manera que la botella neumática de prioridad alimenta solo a sistema esenciales del avión.

Boeing 707

El sistema de emergencia de frenos neumático es controla­do por el piloto, una vez que comprueba que el avión ha perdido la presión hidráu­lica. La carga de aire o de nitrógeno de alta presión se dirige a un depósito de trans­ferencia, lleno de fluido hidráulico, que queda sometido a la presión del gas.

La presión neumática transferida al fluido hidráulico desplaza los pistones de los frenos, cuyos discos se someten ahora a presión hidráulica mantenida por la carga del gas a presión.

Nótese que no existe presión neumática en el paquete de freno. Es presión hidráulica procedente de la carga de gas a presión en la botella de emergencia.

La carga de gas permite la aplicación reiterada de los_. frenos. Por ejemplo, en el antiguo Boeing 707 permite hasta cinco frenadas sucesivas.​

Sistema de sangrado de aire

En relación con el sistema neumático del avión, se llama sangrado de aire a la operación de extraer aire caliente y a presión de uno o más de los compresores del motor. El fin es atender las necesidades de sistemas neumáticos utilitarios. Estos sistemas se dividen en dos categorías: principales y secundarios.

Los sistemas principales tienen funciones operacionales fundamentales. Son los siguientes:

• acondicionamiento de aire de cabina
• sistema de deshielo-antihielo
• en algunos aviones, sistema de cortina neumática de protección del parabrisas frente a la lluvia.

De forma colateral puede incluirse en esta clasificación la Unidad de Potencia Auxiliar (APU), dada su conexión íntima con el sistema.

Otros sistemas neumáticos tienen menor entidad desde el punto de vista opera­cional, como es el caso de los sistemas de agua potable y deshecho de desperdi­cios. Desde el punto de vista neumático tienen la característica común de simpli­cidad. A veces, la neumática se emplea únicamente para presurizar conducciones de fluidos. No obstante cada uno, en su esquema de servicio, es fundamental para los fines del avión comercial.

Los sistemas secundarios más relevantes son los siguientes:

1. sistema de presurización de depósitos hidráulicos
2. sistema de ventilación del compartimento de aviónica
3. sistema de agua potable
4. sistema de deshecho de desperdicios​

Esquema específico del sistema neumático de una aeronave

Referencias

• Datos: Q56324128