L'emergere di grandi motori-compressori a gas orizzontali

Agli albori dell'industria del gas naturale, il gas veniva trasportato attraverso brevi condotte alle città e ai consumatori vicini, sfruttando la pressione naturale dei pozzi. Dopo poco tempo, questa pressione naturale della "roccia" diminuì, rendendo necessario l'utilizzo di compressori per aumentare la pressione del gas a un livello tale da compensare le perdite di carico per la distribuzione al consumatore. Inizialmente, si trattava di compressori relativamente piccoli, azionati a vapore. Il primo compressore a gas, azionato da una macchina a vapore da 580 CV (433 kW) nel 1883, forniva una pressione di scarico di 6 psig (0,4 bar). Innovazioni tecnologiche come i raccordi filettati e i giunti Dresser consentirono di realizzare condotte a pressione progressivamente più elevata. Le prime stazioni di compressione utilizzavano una macchina a vapore alternativa e un compressore alternativo separato, collegati da una cinghia piatta o da trefoli di corda. I compressori erano compressori d'aria adattati, prodotti da aziende come Rand & Waring Drill and Compressor, Ingersoll-Sargeant Rock Drill, Westinghouse Machine e Laidlaw-Dunn-Gordon. I compressori erano compressori d'aria adattati, prodotti da aziende come Rand & Waring Drill and Compressor, Ingersoll-Sargeant Rock Drill, Westinghouse Machine e Laidlaw-Dunn-Gordon. Il motore a trasmissione diretta e il compressore non erano ancora stati inventati.

Tipico compressore a gas azionato da motore a vapore, c. 1904.

Alcuni compressori a gas con motore a vapore orizzontale integrale erano in uso già alla fine degli anni '80 del XIX secolo. La Figura 1 mostra un compressore a gas con motore a vapore orizzontale Bury, simile a molti altri in uso intorno al 1900. Con la scoperta di nuovi giacimenti di gas in aree remote, ben lontane dai mercati, si creò una domanda di compressori a vapore a trasmissione diretta sempre più grandi. Tra i produttori di queste macchine più grandi figuravano Allis-Chalmers, Bury, C. & G. Cooper, Laidlaw-Dunn-Gordon e Westinghouse. Tuttavia, i motori a vapore richiedevano caldaie solitamente alimentate a carbone o legna, richiedevano una manutenzione costante e consumavano acqua, il che comportava costi aggiuntivi e difficoltà logistiche per il funzionamento in aree remote.

Nell'ultimo decennio del XIX secolo, diverse aziende produssero piccoli motori a gas naturale. Questi erano diffusi presso le sorgenti di pozzo e alcuni stavano sostituendo le macchine a vapore come motori per i compressori a cinghia.

La National Transit Company, che produceva la maggior parte dei macchinari di pompaggio utilizzati dalla sua casa madre, la Standard Oil, costruì il primo grande motore-compressore a gas orizzontale. L'enorme macchina, mostrata in Fig. 2, fu installata nel 1899 nei pressi del Monte Jewett, in Pennsylvania. Il motore tandem gemellato aveva quattro cilindri di potenza a semplice effetto da 25 pollici (635 mm) di diametro e 48 pollici (1219 mm) di corsa su un lato dell'albero motore. Sul lato opposto si trovava un cilindro compressore a bassa pressione da 31 pollici (787 mm) di diametro e 24 pollici (610 mm) di corsa e un cilindro compressore ad alta pressione da 15,25 pollici (388 mm) di diametro e 24 pollici (610 mm) di corsa. La National Transit nominò il motore originale a 1000 CV (746 kW), ma è dubbio che i quattro cilindri a due tempi producessero una potenza così elevata. Solo due di questi motori furono costruiti negli stabilimenti della National Transit a Oil City, in Pennsylvania.

Primo motore a vapore orizzontale Cooper Corliss.

La Snow Steam Pump Works di Buffalo, New York, produsse il suo primo motore-compressore a gas nel 1901, utilizzando i disegni e i modelli del National Transit. Nel 1902, la Snow aveva sviluppato il proprio motore-compressore a gas integrale orizzontale a quattro tempi. Due enormi macchine da 965 x 1524 mm (38 pollici) di alesaggio x 60 pollici di corsa (60 pollici) e 4000 CV (2983 kW) furono costruite per la stazione di Hastings della Hope Natural Gas Company, in West Virginia. Alcuni anni dopo, questi colossi furono smontati e trasformati in quattro unità singole. Nel 1904, tre grandi motori-compressori orizzontali Snow furono costruiti per la stazione di compressione Ohio Fuel Gas di Homer, Ohio. È interessante notare che questi furono prodotti per la Snow dalla C. & G. Cooper Company nella vicina Mount Vernon, Ohio.

Alcune altre aziende entrarono nel mercato dei gasdotti con grandi motori-compressori orizzontali. Una di queste fu Westinghouse, che ebbe un rapido successo, introdusse i suoi primi compressori orizzontali integrali per la compressione del gas naturale nel 1905. Anche Allis-Chalmers di Milwaukee, nel Wisconsin, ne produsse alcuni per i gasdotti. Snow rimase il primo leader nella fornitura di grandi motori-compressori orizzontali, crescendo fino a diventare parte della Worthington Pump and Machinery Corporation nel 1916.

La C. & G. Cooper Company, fondata nel 1833, era un'azienda leader nella produzione di grandi motori a vapore Corliss. Aveva costruito grandi motori a vapore verticali e orizzontali, come quello mostrato in Figura 3. All'inizio del 1900, aveva anche costruito diversi compressori di gas per motori a vapore orizzontali per applicazioni industriali. Ma la Cooper si trovò di fronte a un bivio. Aveva costruito circa 15.000 motori a vapore nel corso della sua storia e la domanda di motori Corliss era ancora solida. Tuttavia, le turbine a vapore, in rapida crescita in termini di dimensioni ed efficienza, sembravano destinate a detronizzare i grandi motori a vapore alternativi Corliss. Allo stesso tempo, i grandi motori alimentati a gas naturale si stavano dimostrando efficaci nella fiorente industria siderurgica e promettevano un futuro promettente per la compressione del gas naturale nelle condotte. L'azienda decise di dedicarsi alla produzione di motori alternativi a combustione interna a gas naturale. Poiché nessuno in azienda aveva familiarità con i motori a gas, fu condotta un'ampia indagine e la Cooper decise di costruire un motore che integrasse le migliori caratteristiche ingegneristiche di diversi motori. Per guidare l'iniziativa venne assunto un ingegnere tedesco, Martin A. Thiel.

Motore-compressore a gas orizzontale National Transit, 1899.

Cooper introdusse il suo primo motore-compressore a gas integrale orizzontale nel 1909. La macchina da 730 CV (544 kW) e 90 giri al minuto era dotata di un cilindro di potenza orizzontale a singola corsa con due cilindri a doppio effetto da 20 pollici (508 mm) di alesaggio e 42 pollici (1067 mm) di corsa e di un cilindro compressore Wilson-Snyder a doppio effetto contrapposto con lo stesso alesaggio e corsa. Installata nel West Virginia per comprimere il gas naturale per la Wheeling Natural Gas Company, era una macchina complessa e un venditore ne descrisse la bassa velocità dicendo che il suo pistone "parte oggi e torna domani". Ciononostante, offrì un servizio lungo e fedele e aprì la strada a Cooper nel settore della trasmissione di gasdotti, un settore che avrebbe presto dominato per gran parte del XX secolo. È probabile che parte dell'esperienza iniziale di Cooper con i motori a gas sia stata "ereditata" dalla Snow Engine Works di Buffalo, New York, poiché i registri mostrano che Cooper aveva costruito quattro motori-compressori a gas a doppio effetto, tandem, da 920 CV (686 kW), alesaggio da 22 pollici (559 mm) x corsa da 48 pollici (1219 mm) del modello Snow entro il 1910. Nello stesso anno, Cooper costruì un motore a gas a doppio effetto, a corsa singola, da 455 CV (339 kW), 150 giri/min, alesaggio da 21 pollici (533 mm) x corsa da 30 pollici (762 mm) che azionava un generatore a corrente continua.