Cornerstones-Folgerung: Großartige Ideen, die es nicht geschafft haben!

In den 1950er Jahren sah sich Cooper-Bessemer (CB), bereits im zweiten Jahrhundert seines Bestehens, einer scheinbar unüberwindlichen Herausforderung durch die Gasturbine von General Electric (GE) gegenüber, die sich zunehmend im Markt für Gaspipelines etablierte. GEs turbinengetriebenes Zentrifugalkompressorkonzept schien den integrierten Hubkolbenkompressor für den Einsatz in Pipelines unweigerlich zu verdrängen, und CBs eigener, erst kürzlich entwickelter Zentrifugalkompressor konnte dem wachsenden Wettbewerb nichts entgegensetzen.

Cooper-Bessemer entwickelte eine fünfstufige Axialturbine zur Umwandlung der Abgasenergie des Freikolben-Gasgenerators in Wellenleistung zum Antrieb eines schnelllaufenden Zentrifugalkompressors, einer Pumpe oder eines elektrischen Generators.

Die hohen Kosten für Stahlrohre machten es wünschenswert, die Kompressorstationen enger beieinander zu platzieren , um die Rohre stets voll auszulasten. Bei den größeren Pipelines sollten die Kompressorstationen in Abständen von etwa 50 bis 80 Kilometern errichtet werden, sodass der Druckabfall zwischen den Stationen so gering war, dass ein Radialverdichter zur Druckerhöhung eingesetzt werden konnte. Nachdem die El Paso Pipeline Co. 19 von GE-Turbinen angetriebene Radialverdichter für ihre Pipeline im Südwesten der USA erworben hatte, erkannte CB, dass ihr großer Markt für integrierte Motor-Kompressor-Systeme ernsthaft bedroht war. CB reagierte mit dem Angebot seiner großen Viertakt-LSV-Gasmotoren mit Übersetzungsgetriebe als Antrieb, doch Gasturbinen gewannen bei den Pipelinebetreibern weiterhin an Beliebtheit.

Ralph Boyer, Chefingenieur bei C-B, resümierte später, dass er als einzigen Weg, die Konkurrenz zu schlagen und das in angemessener Zeit zu schaffen, einen Kolbenmotor gesehen habe – ein schwerwiegender Fehler. Er berichtete, der Firmenchef sei täglich zu ihm gekommen und habe gefragt: „Was zum Teufel machen Sie mit einer Gasturbine?“ Da CB wenig Erfahrung mit Gasturbinen hatte und zudem langjährige Erfahrung im Bau von Dieselmotoren für Schiffsanwendungen besaß, lag es nahe, dass das Unternehmen eine neue Idee untersuchte, an der die US-Marine interessiert war.

Das Konzept des Freikolbenmotors entstand Ende der 1920er Jahre in Europa, erzielte jedoch zunächst nur geringen kommerziellen Erfolg. Nach dem Zweiten Weltkrieg flammte das Interesse wieder auf. Durch die Verwendung von gegenüberliegenden horizontalen Kolben, die mechanisch miteinander verbunden waren, um eine symmetrische Bewegung zu gewährleisten, bot das Konzept einige Vorteile gegenüber konventioneller Technologie, darunter Kompaktheit und vibrationsfreies Design. CB und die Marine sahen im Freikolbenmotor die hohe thermische Effizienz des Hubkolben-Verbrennungsmotors und konnten als Heißgasgenerator, der eine Leistungsturbine antrieb, höhere Drehzahlen als herkömmliche Motoren erreichen. CB betrachtete ihn zudem als die ideale Lösung für den Gaspipelinemarkt.

Da die Kolbenbewegung zwischen den Endpunkten nicht mechanisch durch einen Kurbelmechanismus eingeschränkt war, bot der Freikolbenmotor den Vorteil eines variablen Verdichtungsverhältnisses. Dies ermöglichte eine optimierte Betriebsweise, einen höheren Wirkungsgrad im Teillastbereich und den Betrieb mit verschiedenen Kraftstoffen. Die variable Hublänge wurde durch ein Frequenzregelungssystem erreicht, bei dem die Kolbenbewegung am unteren Totpunkt (UT) mithilfe eines steuerbaren Hydraulikzylinders als Rückstellvorrichtung angehalten wurde. Die Frequenz konnte somit durch eine Pause zwischen dem Erreichen des UT und der Freisetzung der Verdichtungsenergie für den nächsten Hub gesteuert werden. Durch die geringere Anzahl beweglicher Teile reduzierte die rein lineare Bewegung die Reibungsverluste, und die Herstellungskosten sanken. Es wurde erwartet, dass die einfache und kompakte Bauweise daher weniger Wartung erfordern und eine längere Lebensdauer als herkömmliche Motoren bieten würde.

Die besonderen Eigenschaften des Freikolbenmotors stellten ihn jedoch auch vor erhebliche Herausforderungen, die bewältigt werden mussten, um ihn zu einer realistischen Alternative zur konventionellen Technologie zu machen. Die präzise Steuerung der Kolben-Totpunkte war die größte Herausforderung, da dies für die Kraftstoffzündung und eine effiziente Verbrennung, die Vermeidung übermäßiger Zylinderdrücke und das heftige Aufschlagen der Kolben auf die Zylinderköpfe unerlässlich war. Ohne einen Energiespeicher wie ein Schwungrad konnte der Motor absterben, wenn er nicht genügend Kompression aufbaute oder andere Faktoren die Einspritzung, Zündung und Verbrennung beeinträchtigten. Dies führte zu Fehlzündungen und erforderte eine präzise Drehzahlregelung.

Die Erprobung des Freikolben-Gasgenerators begann im Januar 1952 im Entwicklungslabor von Cooper-Bessemer .

CB begann im Januar 1952 mit Labortests eines Freikolbenmotors, der zunächst mit Dieselkraftstoff betrieben wurde. Ein ASME-Papier aus dem Jahr 1953 gab Einblick in die streng geheim gehaltene Entwicklung in Zusammenarbeit mit der US Navy. Die beiden gegenläufigen Hubzylinder besaßen jeweils einen inneren Zweitakt-Arbeitszylinder mit 356 mm (14 Zoll) Durchmesser und einen äußeren Verdichterzylinder mit 940 mm (37 Zoll) Bohrung. Sowohl der Arbeits- als auch der Spülzylinder waren einfachwirkend mit einem Nettohub von 470 mm (18,5 Zoll). Bei einer Drehzahl von etwa 555 Hüben pro Minute erzeugte der Motor eine Heißgasleistung von umgerechnet 1305 kW (1750 PS) bei 538 °C (1000 °F) und einem thermischen Wirkungsgrad von 45 %. Laut dem Papier war keine Regelung des Rückwärtshubs der Kolben erforderlich, da der Druck im Rückwärtshub und im hinteren Verdichterraum automatisch geregelt wurde. Die Rückwärtsluft wurde der Spülluft entnommen. Ein einzelnes Zahnstangenpaar verband die beiden Kolbenbaugruppen.

CB plante, einen 5000 PS (3729 kW) starken Motor mit drei parallel geschalteten Freikolben-Heißgasgeneratoren zu entwickeln, die eine mehrstufige Axialturbine antrieben. Die Herausforderungen einer gleichmäßigen Verbrennung mit Erdgas erwiesen sich jedoch als deutlich größer als mit Dieselkraftstoff, und die Entwicklung verlief langsamer, als CB es sich leisten konnte. 1955 kam CB zu dem Schluss, dass das Freikolbenkonzept gravierende, nicht zu behebende Mängel aufwies. Der CB-Freikolbenmotor verließ nie das Entwicklungslabor, und das Programm wurde 1957 eingestellt.

Glücklicherweise erkannte das Unternehmen das Potenzial für die Entwicklung einer weiteren neuartigen Antriebsmaschine und begann Anfang 1956 heimlich mit der Evaluierung des Konzepts einer Strahlgasturbine (basierend auf Flugzeugtriebwerken). Bereits 1960 stellte es die weltweit erste Strahlgasturbine vor, die erfolgreich einen CB-Radialverdichter an einer Erdgasleitungsstation im Golf von Mexiko antrieb (siehe COMPRESSORTech2, Juli 2013). Dadurch konnte das Unternehmen seine führende Position im Bereich der Pipelineverdichtung über viele weitere Jahrzehnte behaupten.

Künstlerische Darstellung einer 5000 PS (3729 kW) starken Anlage bestehend aus drei Freikolbenmotoren, die eine Gasturbine antreiben, welche wiederum einen Zentrifugal-Rohrleitungskompressor antreibt.