Fundamentos da Compressão: O motor de pistão livre Cooper-Bessemer

Esquema básico de um gerador de gás de pistões livres opostos combinado com uma turbina de fluxo axial. A combustão ocorre com os pistões no ponto morto interno. A pressão da combustão impulsiona os pistões para fora, enquanto os gases de escape quentes acionam uma turbina axial.

A série "Fundamentos da Compressão" destacou muitos produtos e empresas importantes ao longo de mais de 160 anos de progresso contínuo. No entanto, também houve algumas ótimas ideias para motores e compressores que não tiveram sucesso.

Na década de 1950, a Cooper-Bessemer (CB) , já em seu segundo século de atividade, enfrentou um desafio aparentemente insuperável da turbina a gás de combustão da General Electric (GE), que estava se consolidando cada vez mais no mercado de gasodutos. O conceito de compressor centrífugo acionado por turbina da GE parecia destinado a superar o compressor integrado de motor alternativo no uso em gasodutos, e o compressor centrífugo recém-desenvolvido pela própria CB não conseguiu conter a crescente concorrência.

O custo dos tubos de aço tornava desejável que as estações de compressão fossem instaladas mais próximas umas das outras para manter toda a tubulação "cheia". Nas linhas maiores, as estações de compressão seriam espaçadas a cerca de 48 a 80 quilômetros (30 a 50 milhas), de modo que a queda de pressão de uma estação para a seguinte fosse pequena o suficiente para que um compressor centrífugo pudesse ser usado para aumentar a pressão entre as estações.

Ameaça grave

Após a El Paso Pipeline Co. adquirir 19 compressores centrífugos acionados por turbina da GE para seu gasoduto no sudoeste dos EUA, a CB percebeu que seu grande mercado de motores-compressores integrados estava seriamente ameaçado. A CB respondeu oferecendo seus grandes motores a gás LSV de quatro tempos com engrenagens multiplicadoras de velocidade como acionadores, mas as turbinas a gás continuaram a ganhar preferência no setor de gasodutos.

O engenheiro-chefe da C-B, Ralph Boyer, refletiu mais tarde que a única maneira que ele via de superá-los e fazê-lo em um tempo razoável era com um motor a pistão, e isso foi um erro grave. Ele disse que o presidente da empresa fazia questão de ir à mesa de Boyer todos os dias e perguntar: "O que diabos você está fazendo com um motor de turbina a gás?". Com pouco conhecimento sobre turbinas a gás e uma longa história na construção de motores a diesel para aplicações marítimas, era natural que a CB investigasse uma nova ideia que interessava à Marinha dos EUA.

Este desenho de 1952 mostrava uma estação de reforço de gasoduto que utilizaria três geradores a gás de pistão livre CB em paralelo para alimentar uma turbina axial que acionaria um compressor centrífugo de 5000 hp (3729 kW).

O conceito de motor de pistão livre surgiu na Europa no final da década de 1920, mas obteve pouco sucesso comercial. O interesse foi retomado após a Segunda Guerra Mundial. Utilizando pistões horizontais opostos, mecanicamente interligados para garantir movimento simétrico, o conceito oferecia algumas vantagens sobre a tecnologia convencional, incluindo compacidade e um design livre de vibrações. A CB (Bureau of Civil Engineers) e a Marinha consideravam o motor de pistão livre como possuidor das qualidades de alta eficiência térmica do motor de combustão interna alternativo e, como um gerador de gás quente acionando uma turbina de potência, proporcionando velocidades de rotação mais altas do que os motores convencionais. A CB também o considerava a solução perfeita para o mercado de gasodutos.

Desafios significativos

Como o movimento do pistão entre os pontos extremos não era restringido mecanicamente por um mecanismo de manivela, o motor de pistão livre apresentava a valiosa característica de taxa de compressão variável, o que possibilitava otimização operacional, maior eficiência em cargas parciais e a possibilidade de operação com múltiplos combustíveis. O comprimento variável do curso era obtido por meio de um esquema de controle de frequência, no qual o movimento do pistão era interrompido no ponto morto inferior (PMI) utilizando um cilindro hidráulico controlável como dispositivo de retorno. A frequência podia, portanto, ser controlada aplicando-se uma pausa entre o momento em que o pistão atingia o PMI e a liberação da energia de compressão para o próximo curso. Como havia menos peças móveis, o movimento puramente da camisa do cilindro reduzia as perdas por atrito e os custos de fabricação eram menores. Esperava-se, portanto, que o projeto simples e compacto exigisse menos manutenção e proporcionasse maior vida útil em comparação com os motores convencionais.

A Cooper-Bessemer desenvolveu uma turbina axial de 5 estágios para converter a energia dos gases de escape do gerador de gás de pistão livre em energia no eixo, para acionar um compressor centrífugo de alta velocidade, uma bomba ou um gerador elétrico.

No entanto, suas características únicas também apresentaram desafios significativos que precisavam ser superados para que se tornasse uma alternativa viável à tecnologia convencional. Controlar com precisão a posição do ponto morto do pistão era o maior desafio, pois isso era necessário para garantir a ignição do combustível e uma combustão eficiente, evitar pressões excessivas no cilindro e impedir que os pistões colidissem violentamente contra o cabeçote. Além disso, sem um dispositivo de armazenamento de energia , como um volante, se o motor não conseguisse gerar compressão suficiente ou se outros fatores influenciassem a injeção, a ignição ou a combustão, o motor poderia parar. Isso resultava em falhas de ignição e na necessidade de um controle preciso da velocidade.

Falhas graves

A CB iniciou os testes de laboratório de um motor de pistão livre em janeiro de 1952, operando inicialmente com diesel. Um artigo da ASME de 1953 forneceu algumas informações sobre o desenvolvimento altamente confidencial e sigiloso realizado em parceria com a Marinha dos EUA. Os dois pistões opostos possuíam, cada um, um cilindro de potência de dois tempos interno com 356 mm (14 pol.) de diâmetro e um cilindro compressor externo com diâmetro de 940 mm (37 pol.). Tanto o cilindro de potência quanto o de admissão de ar eram de ação simples, com um curso líquido de 470 mm (18,5 pol.). Operando a cerca de 555 ciclos por minuto (cpm), o motor produzia o equivalente a 1750 hp (1305 kW) de energia de gás quente a 538 °C (1000 °F), com uma eficiência térmica de 45%. O artigo afirmava que não havia necessidade de controlar o movimento reverso dos pistões, uma vez que a pressão no reverso e nos espaços traseiros do compressor eram controladas automaticamente. O ar para o reverso era proveniente do ar de admissão. Um único par de cremalheiras conectava os dois conjuntos de pistões.

A CB pretendia fornecer um motor primário de 5000 hp (3729 kW) utilizando três geradores de gás quente de pistão livre operando em paralelo para acionar uma única turbina axial de múltiplos estágios. No entanto, os desafios de uma combustão consistentemente suave com gás natural provaram ser muito maiores do que com diesel, e o progresso do desenvolvimento avançou a um ritmo mais lento do que a CB podia suportar. Em 1955, a CB concluiu que o conceito de pistão livre apresentava falhas graves que não poderiam ser superadas. O projeto nunca saiu da fase de desenvolvimento e o programa foi abandonado em 1957.

Felizmente, a empresa vislumbrou o potencial para o desenvolvimento de mais um novo motor primário e, secretamente, iniciou a avaliação do conceito de turbina a gás a jato (derivada da aviação) no início de 1956. Em 1960, apresentou a primeira turbina a gás a jato do mundo, acionando com sucesso um compressor centrífugo CB em uma estação de gasoduto da Columbia Gulf (veja COMPRESSORTech2, julho de 2013). Isso permitiu que ela se mantivesse líder em compressão de gasodutos por muitas décadas.

Representação artística de uma instalação de 5000 hp (3729 kW) composta por três motores de pistão livre que acionam uma turbina a gás, acionando um compressor centrífugo de tubulação.