La transition de Cooper de la vapeur au gaz

La société C. & G. Cooper, fondée en 1833, avait construit environ 15 000 machines à vapeur au cours de son histoire, jusqu'au début du XXe siècle. Fabricant de premier plan de grandes machines à vapeur Corliss, Cooper se trouvait à la croisée des chemins, les turbines à vapeur semblant destinées à les détrôner. Face au succès des grandes machines alimentées au gaz naturel dans l'industrie sidérurgique en plein essor et aux perspectives prometteuses de la compression du gaz naturel dans les pipelines, l'entreprise décida de se tourner vers la production de moteurs à combustion interne alternatifs fonctionnant au gaz naturel.

Bien que Cooper ait construit plusieurs compresseurs à moteur à gaz de grande taille pour la Snow Steam Pump Works, la société n'a introduit son propre compresseur à moteur à gaz horizontal intégré qu'en 1909. En 1911, Cooper a construit trois compresseurs à moteur à double effet tandem, monocylindres, d'une puissance de 305 ch (227 kW), d'une vitesse de 125 tr/min et d'un alésage de 533 mm (21 pouces) sur une course de 610 mm (24 pouces). Au cours des quatre années suivantes, de 1912 à 1915, d'autres configurations horizontales ont été développées et 44 unités supplémentaires ont été produites. Les plus puissantes étaient des compresseurs à moteur tandem bicylindres de 965 ch (720 kW), à 107 tr/min et d'un alésage de 546 mm (21,5 pouces) sur une course de 1067 mm (42 pouces), ainsi que des compresseurs bicylindres en tandem de 1300 ch (969 kW), à 94 tr/min et d'un alésage de 610 mm sur une course de 1219 mm (24 pouces). Les premiers compresseurs à moteur à gaz horizontaux, de 483 mm d'alésage x 610 mm de course et de 546 mm d'alésage x 914 mm de course, ancêtres respectifs des types 19 et 22, furent construits en 1913. Ces deux modèles connurent un grand succès pendant les trois décennies suivantes. Avant 1913, les compresseurs à moteur Cooper étaient équipés de cylindres de compresseur d'autres fabricants. Mais Cooper développa rapidement sa propre gamme de cylindres de compresseur, qui devint la norme pour les applications de pipelines, et fut même utilisée sur les moteurs à gaz concurrents.

La conception du moteur à gaz-compresseur Cooper, à quatre temps, à double effet horizontal, découlait logiquement de sa vaste expérience en matière de moteurs à vapeur pour applications industrielles. De nombreux éléments de conception des moteurs à vapeur, tels que le bâti, les vilebrequins, les volants d'inertie et les traverses, furent intégrés presque sans modification au moteur à gaz horizontal. Le type de moteur qui allait s'imposer fut le moteur horizontal tandem à quatre temps et à double effet. Les cylindres à double effet fournissaient la puissance aux deux côtés du piston dans un seul cylindre. En reliant bout à bout les cylindres de puissance à double effet par une entretoise, on obtenait quatre extrémités motrices par tour de manivelle. L'extrémité extérieure était soutenue par un guide arrière. En plaçant un ensemble jumeau symétrique de l'autre côté du volant d'inertie, on disposait d'un total de huit extrémités motrices pour entraîner deux cylindres de compresseur situés à l'extrémité opposée du bâti. Ces deux côtés étaient reliés par un vilebrequin comportant une manivelle de chaque côté, le volant d'inertie étant supporté au centre du vilebrequin, comme on peut le voir sur les schémas de la figure 1.

Moteur à essence Cooper Type 22 d'origine avec compresseur, excentriques et tiges de poussée, 1922.

Lorsqu'un groupe motopropulseur plus petit était souhaité, l'utilisateur commandait un moteur tandem simple. Celui-ci se composait de deux cylindres de puissance montés sur un même bâti, d'un volant moteur et d'un vilebrequin à une seule manivelle. L'extrémité extérieure du vilebrequin était supportée par un palier de grande taille.

Parfois, un utilisateur achetait un moteur tandem simple et le convertissait plus tard en moteur tandem double en ajoutant l'autre côté et un nouveau vilebrequin.

Dans la pratique des machines à vapeur, il était courant d'entraîner le compresseur par la traverse de bielle qui supportait l'extrémité extérieure de la tige du piston moteur. Certains compresseurs à gaz des premières machines à vapeur Cooper étaient d'ailleurs construits selon cette conception. Cependant, pour les moteurs à gaz, il était plus fréquent de placer le compresseur côté vilebrequin, comme illustré sur la figure 2 extraite d'un catalogue de 1920. Cette configuration nécessitait un allongement du bâti principal afin d'ajouter une traverse et un système de tirants pour entraîner directement cette traverse, qui à son tour entraînait la tige du piston du compresseur. Bien que cela ait augmenté le coût de la machine, cette solution offrait une conception plus épurée de la station, car elle permettait de regrouper toutes les conduites d'aspiration et de refoulement de gaz d'un côté du bâtiment et les tuyauteries d'admission d'air et d'échappement du moteur de l'autre.

Une innovation majeure dans la conception des machines à vapeur résidait dans la nécessité de refroidir non seulement les parois des cylindres, mais aussi d'évacuer la chaleur des pistons et des bielles. Pour ce faire, un passage central était percé sur toute la longueur de la tige de piston, et des pistons creux étaient coulés afin de créer des chambres de refroidissement internes. L'eau de refroidissement était ensuite acheminée vers la traverse centrale par un joint télescopique, où elle circulait à travers chaque piston et chaque bielle, avant de s'écouler au niveau de la traverse avant et du support de bielle arrière dans une rigole ménagée dans la pièce moulée.

Les extrémités du compresseur d'une ligne pour cinq compresseurs de moteurs à gaz horizontaux Cooper, 1919.

De toute évidence, les premiers modèles à double tandem de 42 et 48 pouces (1067 et 1219 mm) de course se sont révélés peu maniables pour le transport et l'installation sur des sites isolés, puisque les unités construites après 1917 étaient dotées de courses de 24 et 36 pouces (610 et 914 mm). En 1917, Cooper a lancé son célèbre Type 22, une machine à double tandem de 36 pouces (914 mm) de course, d'une puissance initiale de 970 ch (723 kW) puis de 1100 ch (820 kW). Au début des années 1920, elle était devenue la machine à gaz-compresseur de prédilection pour la plupart des gazoducs.

Après la Première Guerre mondiale, Hewitt A. Gehres rejoignit Cooper en tant qu'ingénieur en chef, poste qu'il occupa jusqu'en 1956. L'entreprise peinait à rentabiliser la production de ses grands moteurs horizontaux, et Gehres entreprit une refonte complète du moteur-compresseur à gaz Type 22. Les premiers moteurs à gaz Cooper reprenaient de nombreux éléments d'une conception européenne. Par exemple, les soupapes d'admission et d'échappement étaient actionnées par un arbre horizontal qui parcourait toute la longueur du moteur. Les moteurs d'origine étaient équipés de gros excentriques à deux tiges de poussée, comme illustré sur le moteur-compresseur de 1922 environ (Fig. 3). Ces derniers furent remplacés par des arbres à cames et des galets de came (Fig. 4), permettant une ouverture et une fermeture plus rapides des soupapes et portant la puissance du moteur de 125 tr/min à 1 000 ch (746 kW). D'ailleurs, les machines de type 22 du début des années 1920 figurant sur les figures 3 et 4 ont fonctionné de manière fiable jusqu'en 2013 à la station de stockage de gaz de Columbia Gas à Rockport, en Virginie-Occidentale.

Moteur à essence Cooper Type 22 d'origine avec compresseur, excentriques et tiges de poussée, 1922.

Gehres a tellement réduit les coûts des moteurs que personne ne pouvait rivaliser avec le Cooper Type 22. Dans les années qui suivirent, les compresseurs à double moteur tandem Type 22 furent privilégiés pour les services de transport par pipeline par des entreprises telles que Ohio Fuel Supply, United Fuel Gas, Magnolia Gas et Columbia Gas & Electric. La figure 1 montre une rangée de dix compresseurs à moteur à gaz horizontaux Type 22 fournissant une puissance de compression de 22 000 ch (16 412 kW) dans une installation de transport de gazoduc à la fin des années 1920.

L'histoire des compresseurs à moteur à gaz horizontaux Cooper trouvera sa conclusion dans le prochain numéro.

Moteur à gaz Cooper Type 22 amélioré avec compresseur, arbres à cames et rouleaux, 1924.