Buharlı makineler

Uzun yıllar boyunca karayolları taşımacılığının temelini oluşturan buharlı makineler zamanla yerini içten yanmalı motorlara bırakmış ve artık günümüzde siyah beyaz fotoğraflar eşliğinde bir nostalji kaynağı olmuştur. Bu yazı serimizde mazide kalmış buharlı makineleri ve gelişim süreçlerini inceleyeceğiz.

Buharı kullanarak hareket sağlama düşüncesi M.Ö. 100’lü yıllara kadar dayanmaktadır. İskenderiyeli Hero, her iki ucu yarım T şeklinde olan ve açık boruya buhar verildiğinde, buharın püskürdüğünü ve bir dönme gerçekleştiğini gözlemlemiştir. Yani buhar enerjisinin, mekanik enerjiye dönüştüğü ilk çalışma bu şekilde gerçekleşmiştir. Sonrasında atmosfer basıncının gücü anlaşılmaya başlanmış ve hava pompaları icat edilmiştir. Buharlı makinelerin gelişimindeki en önemli dönüm noktası ise Denis Papin’in su buharı ile çalışan bir makine yapması olmuştur.

Hero’nun buhar enerjisini mekanik enerjiye dönüştürdüğü sistem. 1 numaralı bölgede ısınan su buhar haline gelerek 2 numaralı borulardan geçiyor. 3 numaradaki uçlardan püskürme sonucu dönme hareketi gerçekleşiyor.

►Denis Papin’in Buharlı Makinesi:

Papin’in yaptığı makine, piston ve bir ucu kapalı metal tüp olmak üzere iki ana kısımdan oluşuyordu. Pistonun altında bulunan az miktardaki su ısıtılıyor ve buhara dönüştürülüyordu. Buharın etkisiyle piston silindirin kenarına kadar yükseliyor ve durduruluyordu. Silindire soğuk su püskürtülmesi ile buhar yoğunlaşıp sıvı hale geliyor ve kısmi basınç etkisiyle piston aşağıya doğru iniyordu. Bu işlemler sırasında metal tüpteki buhar kazanı, silindir ve yoğunlaştırıcı işlevlerinin birbirinden ayrılması ile buharlı makinelerin gelişimi başlamıştır.

 Denis Papin’in soğuk su püskürtmeli buharlı makinesinin çizimi

►Thomas Newcomen’ın Buharlı Makinesi:

1725 yılında Thomas Newcomen, buharın sıvı hale gelmesi ile yaratılan kısmi basınç sayesinde atmosferik basınçla slindir içinde bulunan pistonu hareket ettirme düşüncesiyle buhar pompasını geliştirdi. Bu makinenin en belirgin özelliği yalnızca 1 atmosferlik buhar basıncıyla çalışmasıydı. Makinedeki çapraz dirsek kolunun bir ucu çok ağır bir pompaya diğer ucu ise pistona bağlıydı. Çapraz kol dakikada 12 salınım yaparak her iniş ve çıkış hareketinde 45 litre su emiyordu. Pistonun yükselmesi, ağır pompa pistonun aşağıya inmesiyle sağlanıyordu. Buhar kazanından gelen buhar, silindirin içine giriyor ve silindirin içine giren soğuk su buharı yoğunlaştırıyordu. Papin’in makinesinde olduğu gibi bu yoğunlaşma kısmi vakuma neden oluyor ve atmosferik basınç pistonu aşağıya inerken çapraz kolun diğer ucundaki pompa, pistonun yükselmesi ile hareket ediyordu.

Newcomen’ın buharlı makinesi

Başarılı ilk buhar makinesi olma özelliğine sahip Newcomen atmosferik pompası, kömür madeninden su çekmek için kullanılmıştır ve 5,5 beygir gücündedir. Ancak bu makinenin termal verimi çok düşüktü. 1 kg suyu pompalamak için yanmış kömür kullanmak gerekiyordu.

►James Watt’ın Buharlı Makinesi:

Watt, Newcomen’ın buharlı makinesini verimli hale getirerek büyük bir ilgi görmüştür. Soğuk suyun her enjekte edilişinde silindirin yeniden ısıtılması için kullanılan buhar, makinenin verimini düşürmekteydi. Watt, bu sorunun çözümü için silindiri soğutmaya gerek kalmadan buharı yoğunlaştırmakta aradı.

Watt’ın ilk buharlı makine modelinde buhar, pistonun yukarısından silindire giriyordu. Silindir, üzerinde yalnızca buharın girmesini sağlayan kapaklı bir kutu ile kapatılmıştı. Buhar, atmosferik basınca pistonu aşağıya indirmesi için yardım ediyordu. İlk olarak kömür işletmesinde su pompalamak için kullan4ılan 127 cm silindir çapı olan makine, Newcomen’ın buharlı makinesinden 3 kat daha verimli çalışıyordu.

James Watt’ın buharlı makinesi

1782 yılında Watt, çift hareketli buhar makinesini yaptı. Bu akinede pistonun önce altına sonrada üstüne buhar veriliyor ve böylece piston kolu hem inme hem çıkma hareketleri sırasında güç üretiyordu. Çift hareketli sistem beraberinde buharlı makinelerin demiryollarında kullanılmasındaki ilk kıvılcımı oluşturdu. Böylelikle az verimli ve pahalı yakıt olan kömürün yerini buharlı makineler almaya başladı.

►Cornish Buharlı Makinesi;

İngiliz Richard Trevithick, Watt’ın buharlı makinesinden sonra daha yüksek basınç ve daha hafif parçalarla daha verimli bir buharlı makine geliştirdi. Cornish lokomotifi adı verilen bu buharlı makinede, giriş vanası kapandığı anda piston, buharın genişlemesiyle hareketini sürdürüyordu. Piston aşağıya inme hareketine başlamadan hemen önce denge vanası pistonun üst kısmına buharın girişine izin vermek için açılıyordu. Yoğunlaştırıcı ile piston altındaki bağlantı sayesinde kısmi bir basınç yaratılıyordu. Kısmi basınç, pistonun aşağıyainmesini sağlarken aynı zamanda makinenin verimini de artırıyordu. Genişleme prensibine dayalı çalışan bu makinede buhar basıncı 3-35 kg/cm2 idi.

Cornish Buharlı Lokomotifi

Buharlı lokomotiflerin gelişmesi ise Trevithick’in 1801 yılında buhar kazanı olan buhar arabası yapmasıyla başlamıştır. Dikey duran bir silindir içeren bu arabanın hareketini pistona bağlı olan mil sağlıyordu. 1520 kg ağırlığında olan bu tasarım saatte 14,5 kn hıza ulaşabiliyordu. Geliştirme çalışmaları sonucunda ilk lokomotifi yapan kişi olarak tarihe geçen Trevithick’in tasarımı saatte 6 km hızla 25 ton yük taşıyabiliyordu.

►Stephenson’un Lokomotifi;

Her buluşta olduğu gibi buharlı lokomotifler de icatlarından sonra zamanla gelişmeye başlamıştır. Roket adı verilen lokomotif için Stephenson oğluyla birlikte çok tüplü bir buhar kazanı icat etti. Roket, kendisinden sonra gelen modern buharlı lokomotiflerin öncüsü olmuştur. Bu makinelerde kazandaki suyu ısıtmak için yakıt kullanılıyor ve elde edilen buhar enerjiside pistonu hareket ettirmek için kullanılıyordu. Makinedeki vanalardan bazıları yüksek basınçlı buharı içeri almak ve harcanan eksozu dışarı atmak üzere tasarlanmıştı. Pistondaki doğrusal hareketler, tekerlekleri döndürmek için dairesel harekete dönüştürülüyordu.

Roket Buharlı Lokomotifi

Roket’i kendinden önceki buharlı makinelere göre daha ayrıcalıklı kılan özelliği ise özel tasarlanmış buhar kazanlarıydı. İlk buharlı makinelerde buhar kazanı alttan ateşle ısıtılarak buhar elde ediliyordu ancak bu yöntem çok verimsizdi. Stephenson ve oğlunun tasarladığı kazanda ise ayrı bir ateş kazanında yakıtın yanması ile elde edilen duman rendeden geçerek buhar kazanının tüplerine çekiliyor ve bu sıcak duman sayesinde buhar kazanında buhar elde ediliyordu.

Roket’in silindir ve buhar vanasının görünümü 

Buharlı lokomotiflerin sonrasında ise gelişen malzeme teknolojisi ve alternatif yakıtlar sayesinde dizel motorlu lokomotifler egemenliği eline almıştır. Özellikle 20. yy ortalırından itibarende gürültüsüz, ekonomik ve çevre dostu olmaları nedeniyle elektrikli lokomotifler kullanılmaya başlanmıştı.

Yazar:Burak KESAYAK /ElektrikPort