Il motore a gas rotativo Ingersoll-Rand

Il concetto di motore rotativo ebbe origine in Germania nel 1929 da Felix Wankel, ma non ebbe successo commerciale fino a poco dopo la Seconda Guerra Mondiale. Negli Stati Uniti, Curtiss-Wright fu uno dei primi a promuovere il concetto Wankel per i motori aeronautici e, tramite licenza, anche per i motori automobilistici. Nel motore Wankel, i quattro tempi del ciclo Otto si verificano nello spazio tra ciascuna faccia arcuata di un rotore triangolare simmetrico e l'interno di un alloggiamento epitrocoide di forma ovale. Il rotore è montato eccentricamente sull'albero di uscita tramite ingranaggi, in modo che ruoti a una velocità inferiore rispetto all'albero di uscita. Il design rotativo, semplice e compatto, offre un rapporto peso/potenza più elevato rispetto ai motori a pistoni convenzionali e può comportare costi di manutenzione inferiori.

I quattro eventi del motore rotativo industriale IR. L'utilizzo di ingranaggi interni consentiva al rotore di girare a 1/3 della velocità dell'albero motore (in alto).

Alla ricerca di un motore affidabile

All'inizio degli anni '70, con i compressori alternativi bilanciati ad alta velocità, separabili e a pistoni contrapposti, che stavano diventando la norma nelle applicazioni upstream del settore petrolifero e del gas, Ingersoll-Rand (IR) desiderava un motore affidabile per azionare i suoi compressori RDS ad alta velocità. Intuendo il potenziale del concetto rotativo Wankel, nel 1972 IR firmò un accordo di licenza con Curtiss-Wright che le consentiva di sviluppare, produrre e commercializzare motori rotativi industriali adatti a pompe, generatori e compressori.

L'obiettivo di I-R di sviluppare un motore primo a velocità variabile alimentato a gas naturale per compressori alternativi con incrementi di 500 CV (373 kW) a 1000 giri/min ha comportato un'importante estensione della tecnologia Wankel. Il motore di azionamento del compressore per impieghi gravosi di I-R, costruito con alloggiamenti terminali in ghisa e rotori in ghisa nodulare raffreddati a olio, richiedeva una cilindrata di 2500 pollici cubi (40 litri). Fino a quel momento, il motore Wankel più grande mai costruito aveva una cilindrata di soli 90 pollici cubi (1,5 litri).

Dopo due anni di sviluppo interno segreto, il prodotto fu annunciato formalmente all'Offshore Technology Conference (OTC) del 1976 e presentato nel numero di luglio 1976 di Diesel & Gas Turbine Progress. Furono offerti due modelli di motore rotativo da 1000 giri/min, con i numeri di modello relativi alla cilindrata. L'IR2500, da 500 CV (373 kW), utilizzava un singolo modulo rotativo. L'IR5000, da 1000 CV (746 kW), utilizzava due moduli rotativi accoppiati. La prima unità fu segretamente confezionata con un compressore IR RDS presso la Southwest Industries e allestita per dimostrazioni a vuoto dopo la presentazione all'OTC. IR fece realizzare segretamente a una casa cinematografica un filmato sull'intera storia della progettazione, dello sviluppo e dell'introduzione del motore. Questi filmati furono distribuiti insieme ai modellini in plastica del motore. Questo grande clamore per un nuovo prodotto "rivoluzionario" colse completamente di sorpresa l'industria della compressione del gas.

I motori compatti, aspirati naturalmente, avevano un rapporto di compressione di 9:1. Erano richieste estrema precisione e finiture superficiali sulle superfici della camera di combustione del motore. Il caratteristico rotore triangolare azionava l'albero di uscita tramite ingranaggi interni con rapporto di trasmissione di 3,0. Eliminando le parti soggette a usura del motore alternativo convenzionale e riducendo il numero di cuscinetti e altri componenti, si prevedeva che il motore rotativo avrebbe avuto costi di manutenzione inferiori e intervalli di manutenzione più lunghi.

Motore rotativo IR2500 e compressore alternativo RDS-2 per la produzione di gas montato su chiatta in Louisiana, c. 1977.

Per i test di resistenza, è stato avviato un ampio programma di test sul campo tramite IR Compression Services a Tulsa, Oklahoma. IR Compression Services ha acquisito una preziosa esperienza sul campo attraverso il noleggio di pacchetti rotativi per applicazioni di produzione di gas naturale. Southwest Industries ha allestito una flotta di 13 unità con compressori IR RDS da 1000 giri/min, installandole presso otto diversi clienti con contratti di compressione della durata di un anno, comprensivi di tutti i servizi forniti da IR.

Problemi di consumo di petrolio

All'inizio del 1977, l'unità principale aveva accumulato oltre 8000 ore, ma il consumo di olio era economicamente proibitivo, nonostante un funzionamento altrimenti affidabile e un'efficienza termica rispettabile del 32%. Il consumo di olio fu migliorato con una modifica progettuale, tuttavia le guarnizioni dell'apice del rotore (noto anche come punta)

Motore IR5000 che aziona un compressore alternativo RDS-2 in un impianto di pompaggio del gas in Pennsylvania, c.1977.

Questi motori, che in laboratorio funzionavano molto bene, rappresentavano un problema ricorrente quando si doveva operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, sul campo con combustibile a gas naturale di qualità e potere calorifico variabili. Gli osservatori dell'epoca affermavano ironicamente che "gli alloggiamenti dei motori erano così caldi in servizio che avrebbero brillato abbastanza da poterci leggere un giornale di notte". Il calore eccessivo causava la deformazione dell'alloggiamento e comprometteva i rivestimenti speciali e persino il trattamento termico dei metalli degli alloggiamenti e dei rotori.

Inizialmente, l'IR aveva indicato che i moduli di potenza avrebbero richiesto la sostituzione ogni 8000 ore, con l'intenzione di estendere tale frequenza con ulteriori sviluppi. Sebbene l'IR fosse fiduciosa che un ulteriore sviluppo sul campo avrebbe risolto i problemi di tenuta dell'apice, lo sviluppo simultaneo in laboratorio portò a un aumento del 10% della potenza dei motori, che tendeva ad aggravare l'usura della tenuta dell'apice del rotore che si verificava sul campo.

La prima unità di proprietà del cliente fu un IR5000 installato presso la stazione di compressione Heath della National Fuel Gas nel 1976. Si trattava di una stazione altrimenti alimentata da vecchi e affidabili generatori orizzontali Snow. I commenti pubblicati in una newsletter del Coolspring Power Museum dell'epoca descrivevano una visita sul campo alla stazione per ammirare il ritmico e relativamente silenzioso "sbuffo" dei generatori orizzontali. Ma fu interrotta dal "grido" del Wankel che ululava nella notte.

Alla fine, 50 unità rotative furono installate sul campo, con 43 compressori e sette generatori elettrici. Gli azionamenti dei generatori e 10 degli azionamenti dei compressori erano di proprietà del cliente, mentre tutti i restanti erano di proprietà di IR Compression Services. L'ultima nuova unità fu messa in servizio alla fine del 1979, poiché le guarnizioni di tenuta continuavano a rappresentare il tallone d'Achille dei motori.

In definitiva, l'intero programma rotativo fu un'idea geniale che si rivelò un disastro commerciale per IR. Sebbene l'azienda avesse speso 10 milioni di dollari per sviluppare i motori rotativi, una cifra enorme negli anni '70, si diceva che ne fosse stato speso il doppio per acquistare il prodotto. Ciononostante, IR si assunse la responsabilità di sostituire le unità rotative di proprietà del cliente, e presumibilmente anche le unità della propria flotta, con motori a gas Waukesha.

Come aneddoto, all'inizio degli anni '70 la IR aveva anche un motore a gas alternativo convenzionale, sia in fase di progettazione che di sviluppo iniziale. A quanto pare, sembrava un buon motore a gas ad alta velocità, ma il rotativo ebbe la meglio e il motore alternativo non entrò mai in produzione.