压缩的基石：库珀-贝塞麦自由活塞发动机

对置式自由活塞燃气发生器与轴流式涡轮机的基本示意图。燃烧发生在活塞位于内死点时。燃烧产生的压力推动活塞向外运动，而高温废气则驱动轴流式涡轮机运转。

《压缩技术的基石》系列丛书在160多年的持续发展历程中，重点介绍了众多重要的产品和公司。然而，也有一些优秀的发动机和压缩机设计理念最终未能成功。

20世纪50年代，库珀-贝塞麦公司（Cooper-Bessemer，简称CB）在其第二个世纪的业务发展历程中，面临着来自通用电气公司（General Electric，简称GE）燃气轮机的巨大挑战。GE的燃气轮机正逐步深入天然气管道市场。GE的涡轮驱动离心式压缩机似乎注定要取代往复式整体式发动机压缩机，成为管道应用的主流选择。而CB公司近期研发的离心式压缩机却无力阻挡这股日益强劲的竞争浪潮。

由于钢管成本高昂，为了保持管道“满载”，压缩站之间的间距通常要尽可能小。在大型管线中，压缩站之间的间距约为30至50英里，这样一来，各站之间的压降就足够小，可以使用离心式压缩机来提升各站之间的压力。

严重威胁

埃尔帕索管道公司为其位于美国西南部的管道采购了19台通用电气（GE）涡轮驱动离心式压缩机后，CB公司意识到其庞大的整体式发动机-压缩机市场面临严峻挑战。CB公司随即推出配备增速齿轮的大型四冲程LSV燃气发动机作为驱动装置，但燃气轮机仍然继续受到管道企业的青睐。

C-B公司的总工程师拉尔夫·博耶后来反思说，他当时唯一能想到的在合理时间内击败对手的方法就是使用活塞式发动机，但这却是一个严重的错误。他说，公司总裁每天都跑到博耶的办公桌前质问他：“你们到底在搞什么燃气轮机？” 由于对燃气轮机知之甚少，而且长期以来一直致力于为船舶制造柴油发动机，因此，当美国海军对燃气轮机这一新概念感兴趣时，CB公司自然而然地开始着手研究。

这张 1952 年的图纸显示了一个管道增压站，该增压站将使用三个并联的 CB 自由活塞燃气发生器来驱动轴流式涡轮机，该涡轮机将驱动一台 5000 马力（3729 千瓦）的离心式压缩机。

自由活塞发动机的概念于20世纪20年代末在欧洲出现，但商业上并未取得太大成功。二战后，人们对它的兴趣重新燃起。该发动机采用机械连接的水平对置活塞，确保对称运动，与传统技术相比具有一些优势，例如结构紧凑、无振动。CB公司和海军认为，自由活塞发动机兼具往复式内燃机的高热效率，并且作为驱动动力涡轮机的热气发生器，其转速高于传统发动机。CB公司还认为它是天然气管道市场的理想解决方案。

重大挑战

由于活塞在行程两端之间的运动不受曲柄机构的机械限制，自由活塞发动机具有可变压缩比这一宝贵特性，从而能够优化运行、提高部分负荷效率并实现多燃料运行。可变冲程长度可通过频率控制方案实现，该方案利用可控液压缸作为回弹装置，使活塞运动在下止点 (BDC) 处暂停。因此，可以通过在活塞到达下止点到释放下一个冲程的压缩能量之间施加暂停时间来控制频率。由于运动部件较少，纯缸套运动降低了摩擦损失，制造成本也更低。因此，这种简单紧凑的设计预计能够减少维护需求，并比传统发动机拥有更长的使用寿命。

库珀-贝塞麦公司开发了一种 5 级轴流式涡轮机，用于将自由活塞式燃气发生器的废气能量转化为轴功率，以驱动高速离心式压缩机、泵或发电机。

然而，其独特的特性也带来了诸多挑战，必须克服这些挑战才能使其成为传统技术的切实替代方案。精确控制活塞死点位置是最大的挑战，因为这对于确保燃油点火和高效燃烧、避免缸内压力过高以及防止活塞猛烈撞击缸盖至关重要。此外，如果没有飞轮等储能装置，如果发动机无法建立足够的压缩，或者其他因素影响了喷射、点火和燃烧，发动机就可能熄火。这会导致失火，因此需要精确的转速控制。

严重缺陷

CB公司于1952年1月开始对自由活塞发动机进行实验室测试，最初使用柴油燃料。1953年美国机械工程师协会（ASME）的一篇论文揭示了这项与美国海军合作的高度机密研发项目的部分细节。该发动机的两个对置活塞均配备一个直径为14英寸（356毫米）的内侧二冲程动力缸和一个缸径为37英寸（940毫米）的外侧压气机缸。动力缸和扫气缸均为单作用缸，总行程为18.5英寸（470毫米）。该发动机以约555次/分钟的活塞频率运行，在1000°F（538°C）的温度下产生相当于1750马力（1305千瓦）的热气能量，热效率为45%。论文指出，由于活塞反向运动和压气机后部空间的压力均由系统自动控制，因此无需对活塞反向运动进行控制。反向运动所需的空气来自扫气。两个活塞组件由一对齿条连接。

CB公司计划采用三台并联运行的自由活塞式热气发生器驱动一台多级轴流式涡轮机，从而打造一台5000马力（3729千瓦）的原动机。然而，天然气燃烧的稳定性远比柴油燃烧更具挑战性，研发进度也远超CB公司的承受范围。到1955年，CB公司得出结论：自由活塞式设计存在无法克服的严重缺陷。该项目最终未能完成研发，并于1957年被终止。

幸运的是，该公司看到了开发另一种新型原动机的潜力，并于1956年初秘密开始评估喷气式（飞机衍生）燃气涡轮机的概念。到1960年，该公司推出了世界上第一台喷气式燃气涡轮机，成功驱动哥伦比亚湾天然气管道站的CB型离心式压缩机（参见《COMPRESSORTech2》，2013年7月）。这使该公司在接下来的几十年里一直保持着管道压缩领域的领先地位。

艺术家绘制的 5000 马力（3729 千瓦）装置效果图，该装置由三台自由活塞发动机驱动燃气轮机，燃气轮机驱动离心式管道压缩机。