Das Aufkommen großer horizontaler Gasmotor-Kompressoren

In den Anfängen der Erdgasindustrie wurde das Gas mithilfe des natürlichen Drucks aus den Bohrlöchern über kurze Pipelines zu nahegelegenen Städten und Verbrauchern transportiert. Da dieser natürliche Gesteinsdruck nach kurzer Zeit abnahm, wurden Kompressoren notwendig, um den Gasdruck auf ein Niveau zu erhöhen, das die Leitungsverluste für die Lieferung zum Verbraucher überwand. Anfangs handelte es sich dabei um relativ kleine, dampfbetriebene Kompressoren. Der erste Gaskompressor, angetrieben von einer 580 PS (433 kW) starken Dampfmaschine, lieferte 1883 einen Förderdruck von 6 psig (0,4 bar). Technologische Fortschritte wie Schraubverbindungen und Dresser-Kupplungen ermöglichten nach und nach höhere Druckleitungen. Die ersten Kompressorstationen nutzten eine Kolbendampfmaschine und einen separaten Kolbenkompressor, die über einen Flachriemen oder Seilstränge verbunden waren. Bei den Kompressoren handelte es sich um umgebaute Luftkompressoren von Firmen wie Rand & Waring Drill and Compressor, Ingersoll-Sargeant Rock Drill, Westinghouse Machine und Laidlaw-Dunn-Gordon. Bei den Kompressoren handelte es sich um umgebaute Luftkompressoren von Firmen wie Rand & Waring Drill and Compressor, Ingersoll-Sargeant Rock Drill, Westinghouse Machine und Laidlaw-Dunn-Gordon. Die direkt angetriebene Motor-Kompressor-Einheit war noch nicht erfunden.

Typischer dampfmaschinenbetriebener Gaskompressor, ca. 1904.

Bereits Ende der 1880er Jahre waren einige horizontale, integrierte Dampfmaschinen-Gaskompressoren im Einsatz. Abb. 1 zeigt einen horizontalen Dampfmaschinen-Gaskompressor von Bury, der vielen anderen um 1900 verwendeten Modellen ähnelte. Mit der Entdeckung neuer Gasfelder in abgelegenen Gebieten fernab der Absatzmärkte entstand eine Nachfrage nach immer größeren, direkt angetriebenen Dampfmaschinen-Kompressoren. Zu den Herstellern dieser größeren Maschinen zählten Allis-Chalmers, Bury, C. & G. Cooper, Laidlaw-Dunn-Gordon und Westinghouse. Dampfmaschinen benötigten jedoch Kessel, die üblicherweise mit Kohle oder Holz befeuert wurden, ständige Wartung erforderten und Wasser verbrauchten. All dies führte zu höheren Kosten und stellte logistische Herausforderungen für den Betrieb in abgelegenen Gebieten dar.

Im letzten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts wurden kleine Erdgasmotoren von einer Reihe von Unternehmen hergestellt. Diese waren an den Bohrköpfen weit verbreitet und ersetzten teilweise Dampfmaschinen als Antrieb für riemengetriebene Kompressoren.

Die National Transit Company, Herstellerin der meisten Pumpen für ihren Mutterkonzern Standard Oil, baute den ersten großen horizontalen Gasmotor-Kompressor. Die gewaltige Maschine (siehe Abb. 2) wurde 1899 in der Nähe von Mt. Jewett, Pennsylvania, installiert. Der Tandem-Doppelmotor besaß auf einer Seite der Kurbelwelle vier einfachwirkende Arbeitszylinder mit 635 mm Durchmesser und 1219 mm Hub. Auf der gegenüberliegenden Seite befand sich ein Niederdruckkompressorzylinder mit 787 mm Durchmesser und 610 mm Hub sowie ein Hochdruckkompressorzylinder mit 388 mm Durchmesser und 610 mm Hub. National Transit gab die Leistung des Originalmotors mit 1000 PS (746 kW) an, es ist jedoch zweifelhaft, ob die vier Zweitaktzylinder diese Leistung tatsächlich erbrachten. Nur zwei dieser Motoren wurden in den Werkstätten von National Transit in Oil City, Pennsylvania, gebaut.

Frühe Cooper Corliss Horizontaldampfmaschine.

Die Snow Steam Pump Works in Buffalo, New York, fertigte 1901 ihren ersten Gasmotor-Kompressor nach den Zeichnungen und Mustern von National Transit. Bereits 1902 entwickelte Snow einen eigenen horizontalen Viertakt-Gasmotor-Kompressor. Zwei gewaltige Maschinen mit 965 mm Bohrung und 1524 mm Hub (38 Zoll x 60 Zoll) und einer Leistung von 4000 PS (2983 kW) wurden für die Hastings Station der Hope Natural Gas Company in West Virginia gebaut. Einige Jahre später wurden diese Giganten zerlegt und in vier einzelne Einheiten umgewandelt. 1904 wurden drei große horizontale Gasmotor-Kompressoren von Snow für die Kompressorstation von Ohio Fuel Gas in Homer, Ohio, gefertigt. Interessanterweise wurden diese für Snow von der C. & G. Cooper Company im nahegelegenen Mount Vernon, Ohio, hergestellt.

Einige weitere Unternehmen traten mit großen horizontalen Gasmotorkompressoren in den Markt für Gaspipelines ein. Westinghouse erzielte früh Erfolge und stellte 1905 seine ersten horizontalen Integral-Gasmotorkompressoren für die Erdgasverdichtung vor. Auch Allis-Chalmers aus Milwaukee, Wisconsin, produzierte einige Kompressoren für Pipelines. Snow blieb der führende Anbieter großer horizontaler Gasmotorkompressoren und wurde 1916 Teil der Worthington Pump and Machinery Corporation.

Die 1833 gegründete C. & G. Cooper Company war ein führender Hersteller großer Corliss-Dampfmaschinen. Sie baute große vertikale und horizontale Dampfmaschinen, wie beispielsweise das in Abb. 3 dargestellte Modell. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts fertigte sie auch eine Reihe horizontaler Dampfmaschinen-Gaskompressoren für industrielle Anwendungen. Doch Cooper stand vor einer entscheidenden Weichenstellung. Das Unternehmen hatte im Laufe seiner Geschichte rund 15.000 Dampfmaschinen gebaut, und die Nachfrage nach Corliss-Maschinen war weiterhin hoch. Dampfturbinen, die in Größe und Effizienz rasant zunahmen, schienen jedoch die großen Corliss-Hubkolbendampfmaschinen zu verdrängen. Gleichzeitig erwiesen sich große, mit Erdgas betriebene Motoren in der boomenden Stahlindustrie als erfolgreich und boten vielversprechende Möglichkeiten für die Komprimierung von Erdgas in Pipelines. Das Unternehmen beschloss daher, sich auf die Produktion von Erdgas-Verbrennungsmotoren zu spezialisieren. Da im Unternehmen niemand mit Gasmotoren vertraut war, wurde eine umfassende Marktanalyse durchgeführt. Cooper entschied sich schließlich für die Entwicklung eines Motors, der die besten technischen Merkmale verschiedener Motoren in einem eigenen Design vereinte. Der deutsche Ingenieur Martin A. Thiel wurde mit der Leitung des Projekts beauftragt.

National Transit horizontaler Gasmotor-Kompressor, 1899.

Cooper stellte 1909 seinen ersten horizontalen integrierten Gasmotor-Kompressor vor. Die 730 PS (544 kW) starke Maschine mit 90 U/min verfügte über einen einfachwirkenden, in Reihe geschalteten horizontalen Arbeitszylinder mit doppeltwirkendem Hub (508 mm Bohrung x 1067 mm Hub) und einen gegenüberliegenden doppeltwirkenden Wilson-Snyder-Kompressorzylinder mit demselben Hub. Die in West Virginia installierte Maschine diente der Erdgasverdichtung für die Wheeling Natural Gas Company. Sie war komplex, und ein Verkäufer beschrieb ihre geringe Drehzahl mit den Worten: „Heute geht’s, morgen geht’s wieder.“ Trotzdem leistete sie lange und zuverlässig ihren Dienst und ebnete Cooper den Einstieg in die Gastransportbranche – einen Markt, den das Unternehmen im 20. Jahrhundert maßgeblich dominieren sollte. Es ist wahrscheinlich, dass Cooper einen Teil seiner frühen Erfahrung mit Gasmotoren von der Snow Engine Works in Buffalo, New York, übernommen hat, da die Aufzeichnungen belegen, dass Cooper bis 1910 vier doppeltwirkende Gasmotor-Kompressoren mit je 920 PS (686 kW), 559 mm Bohrung und 1219 mm Hub nach Snow-Bauart gebaut hatte. Im selben Jahr konstruierte Cooper einen 455 PS (339 kW) starken, 150 U/min drehenden, 533 mm Bohrung und 762 mm Hub umfassenden, einfachwirkenden Gasmotor, der einen Gleichstromgenerator antrieb.