A transição de Cooper do vapor para o gás

A C. & G. Cooper Company, fundada em 1833, construiu aproximadamente 15.000 máquinas a vapor ao longo de sua história até o início do século XX. Era uma fabricante líder de grandes máquinas a vapor Corliss, mas a Cooper se viu em uma encruzilhada, pois as turbinas a vapor pareciam destinadas a destroná-la. Com o sucesso crescente dos grandes motores movidos a gás natural na indústria siderúrgica em expansão e o potencial promissor para a compressão de gás natural em gasodutos, a empresa decidiu evoluir para a produção de motores de combustão interna alternativos a gás natural.

Embora a Cooper tivesse construído vários grandes compressores a gás para a Snow Steam Pump Works, ela só introduziu um compressor a gás horizontal integral de projeto próprio em 1909. Em 1911, a Cooper construiu três compressores a gás de ação dupla, de 305 hp (227 kW), 125 rpm, com diâmetro de 533 mm (21 pol.) e curso de 610 mm (24 pol.), de curso único. No período de quatro anos, de 1912 a 1915, mais configurações horizontais foram desenvolvidas e outras 44 unidades foram produzidas. As maiores eram compressores a gás de 965 hp (720 kW), 107 rpm, com diâmetro de 546 mm (21,5 pol.) e curso de 1067 mm (42 pol.) e compressores a gás de ação dupla, de 1300 hp (969 kW), 94 rpm, com diâmetro de 610 mm (24 pol.) e curso de 1219 mm (48 pol.). Os primeiros compressores a gás horizontais com diâmetro de 483 mm (19 pol.) x curso de 610 mm (24 pol.) e diâmetro de 546 mm (21,5 pol.) x curso de 914 mm (36 pol.), predecessores dos modelos Tipo 19 e 22, respectivamente, foram construídos em 1913. Esses dois modelos seriam populares pelas três décadas seguintes. Antes de 1913, os compressores Cooper eram equipados com cilindros de compressores de outros fabricantes. Mas a Cooper logo desenvolveu sua própria linha de cilindros de compressores, que se tornou o padrão para aplicações em gasodutos, sendo inclusive utilizada em motores a gás de concorrentes.

O projeto do motor-compressor a gás horizontal de quatro tempos e dupla ação da Cooper foi um desenvolvimento lógico a partir de sua vasta experiência com motores a vapor para aplicações industriais. Muitos elementos do projeto de motores a vapor, como a estrutura principal, virabrequins, volantes e cruzetas, foram incorporados quase sem alterações ao motor a gás horizontal. O tipo de motor que se tornaria predominante foi o motor horizontal tandem de quatro tempos e dupla ação. Os cilindros de dupla ação forneciam potência para ambos os lados do pistão em um único cilindro. Conectando os cilindros de potência de dupla ação em sequência com um espaçador intermediário, era possível ter quatro extremidades de potência por manivela. A extremidade externa era suportada por uma guia traseira. E, posicionando uma unidade gêmea em imagem espelhada no outro lado do volante, um total de oito extremidades de potência ficava disponível para acionar dois cilindros do compressor na extremidade oposta da estrutura. Esses dois lados eram unidos por um virabrequim com uma manivela em cada lado, com o volante suportado no centro do virabrequim, como pode ser visto nas unidades da Figura 1.

Motor-compressor a gás Cooper Tipo 22 original, com excêntricos e hastes de acionamento, 1922.

Quando se desejava uma unidade de potência menor, o usuário encomendava um motor tandem simples. Este consistia em dois cilindros de potência em uma estrutura comum, volante e virabrequim com apenas uma manivela. A extremidade externa do virabrequim era suportada por um grande mancal de pedestal.

Às vezes, um usuário comprava um motor tandem simples e posteriormente o convertia em um motor tandem duplo, adicionando o outro lado e um novo virabrequim.

Na prática das máquinas a vapor, era comum acionar o compressor a partir da cruzeta de sustentação que suportava a extremidade externa da haste do pistão de potência, e alguns dos primeiros compressores de gás para motores a vapor Cooper foram construídos com esse projeto. No entanto, com os motores a gás, era mais comum colocar o compressor na extremidade do virabrequim do motor, como mostrado na Figura 2, retirada de um catálogo de 1920. Isso exigia uma extensão da estrutura principal para fornecer uma cruzeta adicional e um conjunto de tirantes para acionar diretamente essa cruzeta que, por sua vez, acionava a haste do pistão do compressor. Embora isso aumentasse o custo do motor, proporcionava um projeto mais limpo para a estação, pois permitia que todas as linhas de sucção e descarga de gás fossem localizadas de um lado do edifício e a entrada de ar e a tubulação de escape do motor ficassem do outro lado.

Uma mudança radical em relação ao projeto de máquinas a vapor foi a necessidade de resfriar não apenas as paredes dos cilindros, mas também remover o calor dos pistões e bielas. Isso foi conseguido perfurando-se uma passagem central ao longo da haste do pistão e fundindo-se pistões ocos para criar câmaras de resfriamento internas. A água de resfriamento era então admitida na cruzeta central por meio de uma junta telescópica, onde fluía através de cada pistão e biela e, em seguida, saía na cruzeta dianteira e no suporte traseiro da biela, caindo em uma calha na peça fundida.

Extremidades do compressor de uma linha para cinco compressores horizontais a gás Cooper, 1919.

Evidentemente, os primeiros projetos de compressores duplos em tandem com cursos de 42 e 48 polegadas (1067 e 1219 mm) mostraram-se bastante difíceis de transportar e instalar em locais remotos, visto que as unidades posteriores a 1917 passaram a ser construídas com cursos de 24 e 36 polegadas (610 e 914 mm). Em 1917, a Cooper lançou seu famoso Tipo 22, uma máquina com compressores duplos em tandem e curso de 36 polegadas (914 mm), inicialmente com potência nominal de 970 hp (723 kW) e posteriormente de 1100 hp (820 kW). No início da década de 1920, tornou-se o compressor a gás preferido para a maioria dos gasodutos.

Após a Primeira Guerra Mundial, Hewitt A. Gehres juntou-se à Cooper como engenheiro-chefe, cargo que ocupou até 1956. A empresa enfrentava dificuldades para produzir os grandes compressores horizontais de forma lucrativa, e Gehres dedicou-se a redesenhar completamente o motor-compressor a gás Tipo 22. Os primeiros motores a gás da Cooper copiaram muitas características de um projeto europeu. Por exemplo, as válvulas de admissão e escape eram acionadas por um eixo horizontal que percorria toda a extensão do motor. Os motores originais possuíam grandes excêntricos com duas hastes de acionamento, como mostrado no motor-compressor de cerca de 1922 na Figura 3. Estes foram substituídos por eixos de comando e cames de roletes, mostrados na Figura 4, que proporcionavam uma abertura e fechamento mais rápidos das válvulas, aumentando a potência do motor de 125 rpm para 1000 hp (746 kW). Aliás, as máquinas Tipo 22 do início da década de 1920, mostradas nas Figuras 3 e 4, operaram de forma confiável até 2013 na estação de armazenamento de gás da Columbia Gas em Rockport, Virgínia Ocidental.

Motor-compressor a gás Cooper Tipo 22 original, com excêntricos e hastes de acionamento, 1922.

Gehres reduziu tanto o custo dos motores que ninguém mais conseguiu competir com o Cooper Tipo 22. Nos anos seguintes, os motores-compressores tandem duplos Tipo 22 foram os preferidos para serviços em gasodutos por empresas como Ohio Fuel Supply, United Fuel Gas, Magnolia Gas e Columbia Gas & Electric. A Figura 1 mostra uma linha de dez motores-compressores a gás horizontais Tipo 22, fornecendo 22.000 hp (16.412 kW) de compressão em uma instalação de transmissão de gasoduto no final da década de 1920.

A história dos compressores a gás horizontais da Cooper será concluída na próxima edição.

Motor a gás Cooper Tipo 22 aprimorado com compressor, eixos de comando e roletes, 1924.