Les fondements de la compression : le moteur à piston libre Cooper-Bessemer

Schéma simplifié d'un générateur de gaz à pistons libres opposés associé à une turbine axiale. La combustion a lieu lorsque les pistons sont au point mort haut. La pression de combustion propulse les pistons vers l'extérieur tandis que les gaz d'échappement chauds actionnent la turbine axiale.

La série « Les fondements de la compression » a mis en lumière de nombreux produits et entreprises importants au cours de plus de 160 ans de progrès continu. Cependant, certaines idées prometteuses en matière de moteurs et de compresseurs n'ont pas abouti.

Dans les années 1950, Cooper-Bessemer (CB) , forte de plus d'un siècle d'existence, dut faire face à un défi apparemment insurmontable : la turbine à gaz à combustion de General Electric (GE), qui s'implantait progressivement sur le marché des gazoducs. Le concept de compresseur centrifuge à turbine de GE semblait voué à supplanter le compresseur-moteur alternatif intégré pour les gazoducs, et le compresseur centrifuge récemment mis au point par CB ne put endiguer la montée en puissance de la concurrence.

Le coût des conduites en acier incitait à rapprocher les stations de compression afin de maintenir les conduites pleines. Sur les grands oléoducs, les stations de compression devaient être espacées de 50 à 80 kilomètres environ, de sorte que la chute de pression entre deux stations soit suffisamment faible pour qu'un compresseur centrifuge puisse être utilisé pour augmenter la pression d'une station à l'autre.

Menace sérieuse

Après l'acquisition par El Paso Pipeline Co. de 19 compresseurs centrifuges à turbine GE pour son pipeline du sud-ouest américain, CB a compris que son important marché des compresseurs intégrés était sérieusement menacé. CB a réagi en proposant ses gros moteurs à gaz LSV à quatre temps, équipés de multiplicateurs de vitesse, mais les turbines à gaz ont continué de gagner en popularité auprès des exploitants de pipelines.

L'ingénieur en chef de CB, Ralph Boyer, a reconnu plus tard que le seul moyen qu'il entrevoyait pour les battre dans un délai raisonnable était d'utiliser un moteur à pistons, ce qui s'est avéré une grave erreur. Il racontait que le président de la société venait quotidiennement à son bureau pour lui demander : « Mais qu'est-ce que vous fabriquez avec une turbine à gaz ? » Connaissant peu les turbines à gaz, et forte d'une longue expérience dans la construction de moteurs diesel pour applications marines, CB s'est naturellement intéressée à cette nouvelle idée qui suscitait l'intérêt de l'US Navy.

Ce dessin de 1952 montrait une station de surpression de pipeline qui utiliserait trois générateurs de gaz à piston libre CB en parallèle pour alimenter une turbine axiale qui entraînerait un compresseur centrifuge de 5000 ch (3729 kW).

Le concept du moteur à piston libre a émergé en Europe à la fin des années 1920, mais n'a connu qu'un succès commercial limité. L'intérêt s'est ravivé après la Seconde Guerre mondiale. Utilisant des pistons horizontaux opposés, reliés mécaniquement pour garantir un mouvement symétrique, ce concept offrait certains avantages par rapport aux technologies conventionnelles, notamment la compacité et l'absence de vibrations. CB et la Marine voyaient dans le moteur à piston libre un rendement thermique élevé, comparable à celui du moteur à combustion interne alternatif, et, utilisé comme générateur de gaz chauds entraînant une turbine, il permettait d'atteindre des vitesses de rotation supérieures à celles des moteurs conventionnels. CB le considérait également comme la solution idéale pour le marché des gazoducs.

Défis importants

Le mouvement du piston libre, non contraint mécaniquement par un mécanisme de vilebrequin, offrait l'avantage d'un taux de compression variable, permettant une optimisation du fonctionnement, un meilleur rendement à charge partielle et une possible utilisation de plusieurs carburants. La variation de la course était obtenue grâce à un système de régulation de fréquence, où le mouvement du piston était interrompu au point mort bas (PMB) par un vérin hydraulique à rebond. La fréquence était ainsi contrôlée en appliquant une pause entre le moment où le piston atteignait le PMB et la libération de l'énergie de compression pour la course suivante. La réduction du nombre de pièces mobiles, due au mouvement purement cylindrique, diminuait les pertes par frottement et les coûts de fabrication. On s'attendait donc à ce que sa conception simple et compacte nécessite moins d'entretien et offre une durée de vie supérieure à celle des moteurs conventionnels.

Cooper-Bessemer a développé une turbine axiale à 5 étages pour convertir l'énergie d'échappement du générateur à gaz à piston libre en puissance d'arbre pour entraîner un compresseur centrifuge à grande vitesse, une pompe ou un générateur électrique.

Cependant, ses caractéristiques uniques présentaient également des défis importants qu'il a fallu relever pour qu'elle constitue une alternative réaliste à la technologie conventionnelle. Le contrôle précis du point mort haut des pistons représentait le principal défi, car il était indispensable pour garantir l'allumage du carburant et une combustion efficace, éviter les surpressions dans les cylindres et les chocs violents des pistons contre les culasses. De plus, sans dispositif de stockage d'énergie , tel qu'un volant moteur, si le moteur ne parvenait pas à atteindre une compression suffisante ou si d'autres facteurs affectaient l'injection, l'allumage ou la combustion, il pouvait caler. Ceci entraînait des ratés d'allumage et nécessitait un contrôle précis du régime moteur.

Défauts importants

CB a entamé les essais en laboratoire d'un moteur à piston libre en janvier 1952, fonctionnant initialement au diesel. Un article de l'ASME de 1953 a apporté un éclairage sur ce développement hautement confidentiel mené en collaboration avec l'US Navy. Les deux pistons opposés comportaient chacun un cylindre moteur deux temps interne de 356 mm (14 pouces) de diamètre et un cylindre compresseur externe de 940 mm (37 pouces) d'alésage. Les cylindres moteur et de balayage étaient à simple effet, avec une course nette de 470 mm (18,5 pouces). Fonctionnant à environ 555 tr/min, le moteur produisait l'équivalent de 1 750 ch (1 305 kW) d'énergie des gaz chauds à 538 °C (1 000 °F), avec un rendement thermique de 45 %. L'article précisait qu'il n'était pas nécessaire de réguler le rebond des pistons, la pression dans les chambres de rebond et à l'arrière du compresseur étant contrôlée automatiquement. L'air de rebond était prélevé sur l'air de balayage. Une seule paire de crémaillères reliait les deux ensembles de pistons.

CB prévoyait de produire un moteur principal de 5 000 ch (3 729 kW) en utilisant trois générateurs à gaz chauds à piston libre fonctionnant en parallèle pour entraîner une turbine axiale multi-étagée. Cependant, les difficultés liées à une combustion régulière et stable du gaz naturel se sont avérées bien plus importantes qu'avec le diesel, et le développement a progressé plus lentement que CB ne pouvait se le permettre. En 1955, CB a conclu que le concept du piston libre présentait des défauts majeurs et insurmontables. Le projet n'a jamais dépassé le stade du développement et le programme a été abandonné en 1957.

Heureusement, l'entreprise a perçu le potentiel de développement d'un nouveau type de moteur principal et a secrètement entrepris l'évaluation du concept de turbine à gaz à réaction (dérivée de l'aéronautique) début 1956. En 1960, elle a présenté la première turbine à gaz à réaction au monde, entraînant avec succès un compresseur centrifuge CB dans une station de gazoduc du golfe de Columbia (voir COMPRESSORTech2, juillet 2013). Cela lui a permis de rester un chef de file dans la compression par pipeline pendant de nombreuses décennies.

Représentation artistique d'une installation de 5000 ch (3729 kW) composée de trois moteurs à piston libre alimentant une turbine à gaz entraînant un compresseur centrifuge de pipeline.