Corollario di Cornerstones: grandi idee che non hanno avuto successo!

Negli anni '50, Cooper-Bessemer (CB), ormai nel suo secondo secolo di attività, si trovò ad affrontare una sfida apparentemente schiacciante: la turbina a gas a combustione della General Electric (GE), che si stava facendo strada sempre più nel mercato dei gasdotti . Il concetto di compressore centrifugo a turbina della GE sembrava destinato a superare il motore-compressore integrale alternativo per l'impiego nei gasdotti, e il compressore centrifugo di recente sviluppo della CB non riuscì a contenere la crescente concorrenza.

Cooper-Bessemer ha sviluppato una turbina assiale a 5 stadi per convertire l'energia di scarico del generatore di gas a pistone libero in potenza all'albero per azionare un compressore centrifugo ad alta velocità, una pompa o un generatore elettrico.

Il costo dei tubi in acciaio rendeva auspicabile una distanza più ravvicinata tra le stazioni di compressione per mantenere tutte le tubazioni "piene". Nelle linee più grandi, le stazioni di compressione sarebbero state distanziate tra loro di circa 48-80 km, in modo che la caduta di pressione da una stazione all'altra fosse sufficientemente ridotta da consentire l'utilizzo di un compressore centrifugo per aumentare la pressione da una stazione all'altra. Dopo che El Paso Pipeline Co. acquistò 19 centrifughe a turbina GE per il suo oleodotto nel sud-ovest degli Stati Uniti, CB sapeva che il suo grande mercato di motori-compressori integrati era seriamente minacciato. CB reagì offrendo i suoi grandi motori a gas LSV a quattro tempi con moltiplicatori di giri come motori, ma le turbine a gas continuarono a guadagnare terreno negli oleodotti.

L'ingegnere capo della C-B, Ralph Boyer, rifletté in seguito che l'unico modo che vedeva per batterli e farlo in un tempo ragionevole era con un motore a pistoni, e che quello era un grave errore. Raccontò che il presidente dell'azienda si era impegnato ogni giorno a presentarsi alla scrivania di Boyer e a chiedergli: "Che diavolo stai facendo con un motore a turbina a gas?". Conoscendo poco le turbine a gas e avendo anche una lunga storia nella costruzione di motori diesel per applicazioni navali , era naturale per la C-B indagare su una nuova idea che interessava alla Marina degli Stati Uniti.

Il concetto di motore a pistoni liberi emerse in Europa alla fine degli anni '20, ma ebbe un successo commerciale minimo. L'interesse riprese dopo la Seconda Guerra Mondiale. Utilizzando pistoni orizzontali contrapposti, collegati meccanicamente per garantire un movimento simmetrico, il concetto offriva alcuni vantaggi rispetto alla tecnologia convenzionale, tra cui la compattezza e un design privo di vibrazioni. CB e la Marina Militare consideravano il motore a pistoni liberi dotato delle elevate qualità di efficienza termica del motore a combustione interna alternativo e, come generatore di gas caldo che azionava una turbina di potenza, in grado di fornire velocità di rotazione più elevate rispetto ai motori convenzionali. CB lo considerava anche la soluzione perfetta per il mercato dei gasdotti.

Poiché il movimento del pistone tra i punti finali non era limitato meccanicamente da un manovellismo, il motore a pistoni liberi presentava la preziosa caratteristica del rapporto di compressione variabile, che poteva garantire ottimizzazione operativa, maggiore efficienza a carico parziale e possibilità di funzionamento multi-carburante. La lunghezza della corsa variabile era ottenibile utilizzando uno schema di controllo della frequenza in cui il movimento del pistone veniva interrotto al punto morto inferiore (PMI) utilizzando un cilindro idraulico controllabile come dispositivo di rimbalzo. La frequenza poteva quindi essere controllata applicando una pausa tra il momento in cui il pistone raggiungeva il PMI e il rilascio dell'energia di compressione per la corsa successiva. Poiché c'erano meno parti in movimento, il movimento puramente a camicia riduceva le perdite per attrito e i costi di produzione erano inferiori. Ci si aspettava che il design semplice e compatto richiedesse quindi meno manutenzione e garantisse una maggiore durata rispetto ai motori convenzionali .

Tuttavia, le caratteristiche uniche del motore a pistoni liberi presentavano anche sfide significative che dovevano essere superate affinché rappresentasse un'alternativa realistica alla tecnologia convenzionale. Il controllo accurato della posizione dei punti morti dei pistoni rappresentava la sfida più grande, poiché era necessario per garantire l'accensione del carburante e una combustione efficiente, evitare pressioni eccessive all'interno dei cilindri ed evitare che i pistoni sbattessero violentemente contro le testate. E senza un dispositivo di accumulo di energia, come un volano, se il motore non riusciva a generare una compressione sufficiente o se altri fattori influenzavano l'iniezione o l'accensione e la combustione, il motore poteva spegnersi e fermarsi. Ciò causava mancate accensioni e rendeva necessario un controllo accurato della velocità.

I test sul generatore di gas con motore a pistoni liberi iniziarono nel laboratorio di sviluppo Cooper-Bessemer nel gennaio 1952.

La CB iniziò i test di laboratorio di un motore a pistoni liberi nel gennaio del 1952, inizialmente funzionante a gasolio. Un documento ASME del 1953 fornì alcune informazioni sullo sviluppo altamente esclusivo e riservato della Marina degli Stati Uniti. I due cilindri contrapposti avevano ciascuno un cilindro di potenza a due tempi interno da 14 pollici (356 mm) di diametro e un cilindro del compressore esterno con alesaggio di 37 pollici (940 mm). Sia il cilindro di potenza che quello di recupero dell'aria erano a semplice effetto con una corsa netta di 18,5 pollici (470 mm). Operando a circa 555 giri/min, il motore produceva l'equivalente di 1750 CV (1305 kW) di energia a gas caldo a 1000 °F (538 °C) con un'efficienza termica del 45%. Il documento affermava che non era necessario regolare il rimbalzo inverso dei pistoni, poiché la pressione nel rimbalzo e negli spazi posteriori del compressore erano controllati automaticamente. L'alimentazione dell'aria di rimbalzo veniva prelevata dall'aria di recupero. Una singola coppia di cremagliere collegava i due gruppi pistone.

CB intendeva realizzare un motore primo da 5000 CV (3729 kW) utilizzando tre generatori di gas caldo a pistoni liberi funzionanti in parallelo per azionare una singola turbina assiale multistadio. Tuttavia, le sfide di una combustione costantemente fluida con il gas naturale si rivelarono molto più impegnative rispetto al diesel, e i progressi nello sviluppo procedettero a un ritmo più lento di quanto CB potesse permettersi. Nel 1955, CB concluse che il concetto di motore a pistoni liberi presentava gravi difetti che non potevano essere superati. Il motore a pistoni liberi CB non uscì mai dal laboratorio di sviluppo e il programma fu abbandonato nel 1957.

Fortunatamente, l'azienda intravide il potenziale per lo sviluppo di un altro motore primario innovativo e, all'inizio del 1956, iniziò segretamente la valutazione del concetto di turbina a gas a getto (derivata da un aereo). Nel 1960, introdusse la prima turbina a gas a getto al mondo, azionando con successo un compressore centrifugo CB presso una stazione di gasdotto Columbia Gulf (vedi COMPRESSORTech2, luglio 2013). Ciò le permise di rimanere leader nella compressione di gasdotti per molti decenni ancora.

Rappresentazione artistica di un'installazione da 5000 CV (3729 kW) composta da tre motori a pistoni liberi che alimentano una turbina a gas che aziona un compressore centrifugo a gasdotto.