BUHAR MAKİNESİ
Kapalı kapta kaynayan suyun buharının kabın kapağını yukarıya doğru ittiğini hepimiz biliriz. Çünkü kapalı bir kapta oluşan buhar genleşmesi için gerekli olan yeri bulamayınca içinde olduğu kabın çeperlerine bir basınç yapar. Buharın bu özelliğinden yararlanılarak yapılan ve buhar kullanarak ısı enerjisinden mekanik iş üreten makinelere buhar makinesi denir.
Buhar makinelerinin başlıca iki türü vardır: Pistonlu buhar makineleri ve buhar türbinleri. Pistonlu buhar makinesinde buhar bir silindir içine yerleştirilmiş olan pistonu ileri geri hareket ettirir. Buhar türbininde ise, bir ana mil üzerine oturtulmuş, çevresinde kanatlar olan bir tam bur vardır. Bu kanatlar üzerine püskürtülen basınçlı buhar tam buru döndürür. İlk buhar türbinini Mısır’da, İskenderiyeli Heron tasarladı. Am a, yaklaşık 2.000 yıl önce yaşamış bir Yunanlı olan H eron’un makinesinin yalnızca bir oyuncak olarak kullanıldığı anlaşılıyor.
1698’de İngiliz mühendisi Thomas Savery buharla çalışan ve madenlerdeki yeraltı sularını dışarı pompalayan bir makine yaptı. “Yangın tulumbası” denen bu makine, soğuduğu zaman yoğunlaşan buharın hacminin küçülmesi olgusuna dayanıyordu. Savery’nin makinesinde buhar yumurta biçiminde bir kaba almıyor, buhar giriş musluğu kapatıldıktan sonra, kabın dış yüzeyine püskürtülen soğuk suyla soğutuluyordu. Soğuyan buhar yoğunlaşıp hacmi küçülünce ortaya çıkan boşluk kap içinde bir vakum oluşturuyor ve madenden dışarı atılmak istenen su, hava basıncının etkisiyle, kaba bağlı bir borudan bu boşluğa doluyordu. Suyun geldiği borunun musluğu kapatıldıktan sonra buhar giriş musluğundan kaba yeniden buhar veriliyor, kap içindeki su gelen buhann basıncıyla, bu kez bir başka borudan maden ocağının dışına atılıyordu.
Newcomen'in Makinesi
Savery’nin makinesinin verimi düşüktü, çok fazla buhar boşa gidiyordu. 1690’da Fransız Deniş Papin farklı bir buhar makinesi tasarlamıştı. İngiliz Thomas Nevvcomen onun tasarısını geliştirdi. Newcomen’in 1705’te yaptığı makinede, kazandan gelen buhar düşey bir silindir içinde bulunan pistonun altındaki boşluğa almıyor, sonra silindirin içine soğuk su fışkırtılarak buhar yoğunlaştırılıyor, pistonun altındaki bölümün basıncı düşürülüyordu. Bu durumda atmosfer basıncı, daha önce buharın etkisiyle yukarı doğru hareket etmiş olan pistonu yeniden aşağıya itiyordu. Piston aşağı inince silindirin üst bölümüne dolan su, pistonun yeniden yukarı çıkmasıyla başka bir borudan dışarı atılıyordu. Suyun geldiği ve gittiği borulardaki vanalar sırayla açılıp kapanarak suyun geldiği yöne geri gitmesi engelleniyordu. Newcomen’in makinesi 1720’den 1800’e kadar madenlerde yaygın olarak kullanıldı; ama çok fazla buhar boşa gidiyor, çok kömür tüketiliyordu.
Hem Savery’nin,hem de Newcomen’in makineleri yavaş çalışıyor ve bir işçinin sürekli olarak vanaları açıp kapaması gerekiyordu. Vana açıp kapamakta çalıştırılan çocuk işçilerden Hümphrey Potter, gidip rahatça oynayabilmek için, vanaları pistonun hareketiyle açıp kapayan bir düzenek geliştirdi. Piston koluna bağlanan ipler ve sürgülerden oluşan bu düzenek daha sonra basitleştirilerek bütün buhar makinelerinde kullanıldı.
James Watt'ın Makineleri
1763’te, İskoçya’nın Glasgow kentinde James Watt adlı bir alet yapımcısı bir Newcomen buhar makinesini onarırken, pistonun her gidiş gelişinde silindirin ısıtılıp soğutulmasının yol açtığı enerji kaybını önleyebileceğini düşündü. Bu kaybı önlemek için en iyi yol, içinde buhar bulunan silindiri sürekli olarak sıcak tutm ak ve sürekli olarak soğuk olacak ayrı bir bölümde buharı yoğunlaştırmaktı. Buharın yoğunlaştırıldığı bu bölüm (yoğunlaştırıcı) sürekli olarak suyla soğutulacaktı. İçinde buhar bulunacak silindir ise, soğumaması için, içinde gene buhar bulunan ikinci bir silindir içine yerleştirilecekti.
Watt’ın bu buhar makinesinde, buhar kazanından gelen buhar bir vanadan geçerek silindire üstten giriyordu. Silindirin üst ve alt bölümlerini birleştiren bir boru üzerinde denge vanası denen ikinci bir vana vardı. Bu vana silindirin üst ve alt bölümleri arasında buhar geçişini denetliyordu. Silindirin alt bölümünü yoğunlaştırıcıya bağlayan boru üzerindeki üçüncü vana egzoz vanasıydı. Üç vana da açık durumda ve piston silindirin üst bölümündeyken, buhar kazanından silindire buhar veriliyor, daha sonra denge vanası kapatılıp yoğunlaştırıcı soğutuluyordu. Yoğunlaştırıcıdaki buharın yoğunlaşmasıyla oluşan boşluğa silindirin alt bölümünden buhar gitmesi sonucunda, silindirin pistonun altında kalan bölümündeki basınç azalıyor, piston üzerindeki buhar basıncının etkisiyle aşağı doğru iniyordu. Daha sonra buhar vanası ve egzoz vanası kapatılıp denge vanası açılıyor, böylece üstündeki ve altındaki basınç eşitlenerek pistonun eski konumuna geri dönmesi sağlanıyordu. Sonra makineye yeniden buhar verilerek aynı süreç yineleniyordu. Sisteme eklenmiş olan bir hava pompası da yoğunlaştırıcıda biriken suyu ve içeri sızan havayı dışarı atıyordu.
Watt 1781’de, pistonun ileri geri gidip gelme hareketini, pompalar dışında kalan çoğu makine için gerekli olan dönme hareketine dönüştüren çeşitli yöntemler uyguladı. Bu yöntemlerin en basiti, bisikletlerde de uygulanan ve binicinin dizlerinin aşağı yukarı inip çıkma hareketini dönme hareketine dönüştüren krank düzenidir. Watt, makinenin hızını denetim altında tutmak için, fırıldak gibi dönen bir regülatör (düzenleyici) kullandı. Regülatörün bir mil çevresinde dönen kolları makinenin hızı arttıkça dışa doğru savrularak açılıyor ve bu açılma buhar giriş vanasının kısılmasını sağlıyordu. Makine yavaşladığı zaman da bunun tersi oluyordu. Watt’ın makineleri Newcomen’inkilere göre bir ilerlemeydi; çünkü Watt’ın makinelerinde enerji kaybı çok daha azdı. 1800’lerde Newcomen makinelerini kullanmanın çok pahalı bulunduğu Cornwall kalay madenlerinde, su pompalama işinde Watt’ın 40 kadar makinesi kullanılmaktaydı.
Sonraki Buhar Makineleri
Yoğunlaştırıcısız buhar makinelerinde oldukça yüksek bir basınca gerek vardır. İlk zamanlar kullanılan çaydanlık biçimindeki buhar kazanları yüksek basınca dayanabilecek güçte değildi. 1800 dolaylarında İngiltere’de Richard Trevithick, ABD ’de de Oliver Evans daha yüksek basınçlı buharla çalışan makineler geliştirdiler. Her ikisi de yüksek basınçlı buharı “Cornwall tipi kazan” olarak adlandırılan silindir biçimindeki buhar kazanlarında elde ettiler. Bu kazanlarda, ocaktan çıkan alevler su deposunun ortasında uzanan tek bir alev borusundan geçiyordu.
Bu yoğunlaştırıcısız makinelerde, silindirde kullanılan buhar daha sonra egzoz buharı olarak dışarı çıkıp havaya karışırdı. Bunun çıkardığı gürültüyü önlemek için, George Stephenson yaptığı lokomotifte egzoz buharını huni biçimindeki bacadan dışarı verdi. Bunu yaparak ocaktan geçen havayı ve ateşin sıcaklığını da büyük ölçüde artırmış oldu. Gemilerde kullanılan buhar makinelerinde yoğunlaştırıcı bulunmasının nedeni yalnızca daha az yakıt kullanmak değildir. Bu makinelerde yoğunlaşma sonucu oluşan su kazana geri gönderilerek yeniden buhar üretmek için kullanılır. Ayrıca, kullanılmış suyun metalleri çürütücü etkisi taze suya göre daha azdır.
Watt buhar makinesinde iki önemli gelişme daha gerçekleştirmiştir. Bunlardan birincisi çift etki ilkesinin uygulanmasıdır. Buna göre, buhar önce pistonun bir tarafına sonra da öteki tarafına alınarak, piston her iki yönde de buhar gücüyle itiliyordu. İkinci gelişme buharın genleşmesinden yararlanılmasıydı. Piston silindir içindeki hareketini tamamlamadan buhar girişi kesiliyor ve piston geri kalan yolu silindir içindeki buharın genleşmesinden kaynaklanan itme gücüyle alıyordu. Böylece çok daha az buhar ve dolayısıyla daha az yakıt kullanılıyordu. Birçok buhar makinesinde, örneğin lokomotiflerde, değişik koşullara göre silindire giden buharı değişik zamanlarda kesme olanağı veren ayarlanabilir vana düzenekleri vardır.
Watt’ın yardımcısı olan William Murdock adlı bir İskoç 1799’da, silindir giriş ve çıkışında buhar akışını tek bir vanayla denetim altında tutabilecek bir düzenek yaptı. Bu düzenekte, sürgülü valf adı verilen vana makinenin miline eklenen “eksantrik” adlı bir parçanın dönüşüyle çalışıyordu. Sürgülü valf, eksantriğin hareketine uygun olarak açılıp kapanarak silindire buhar girişini, silindirin iki ucu arasındaki buhar geçişlerini ve egzoz buharının çıkışını istenen biçimde ayarlıyordu. Eksantrikle sürgülü valf arasındaki bağlantının tasarımı, buhar kesme noktası değiştirilebilecek ya da gerekirse makineyi ters yönde çalıştırabilecek biçimde yapılmıştı.
Buhardan daha fazla yararlanabilmek için, silindirden çıkan egzoz buharı başka bir silindire alınarak kullanılabilir. Aynı mile bağlı birden çok silindirden oluşan bu tür makinelere bileşik buhar makineleri denir. Bütün pistonların aynı güçle itilebilmesi için, buharın sonradan gittiği ve daha düşük basınçlı buharla çalışan silindirin çapı öncekinden büyüktür. Gemilerde kullanılan pistonlu buhar makinelerinin hemen hemen tümü, her birinin çapı bir öncekinden büyük olan üç ya da dört silindirden oluşmuş bileşik buhar makineleridir.
Buhar makinesi iş görmek için gerekli enerjiyi kazanında yanan yakıttan alır. Yakıtın enerjisi doğrudan doğruya pistonları hareket ettirmez. Önce suyu buharlaştırır ve bu buhar aracılığıyla pistonları hareket ettirir. Yakıtın yanması ve buharın kullanımı arasındaki surede kaçınılmaz olarak ısı kaybı olur. Bu kayıplar içten yanmalı motorlardaki kayıplara göre oldukça yüksektir. Bir buhar makinesi aynı güçteki bir içten yanmalı m otora göre daha çok yakıt kullanır.
Öte yandan, buhar makineleri daha sessiz çalışır. Yakıt’ ve egzoz gazları silindirlerini çürütmediği için uzun süre köklü bir bakım gerektirmeden çalışabilirler. Buhar makinelerinin, çalışması için bir ilk hareket ettiriciye gerek olan içten yanmalı pistonlu motorlar karşısındaki en büyük üstünlüğü çalışmaya başlar başlam az tam güçle çalışabilmeleridir, Bu nedenle buhar m akinelerinde aktarma organlarına gerek yoktur. Buna karşılık buhar kazanının ve ocağın getirdiği zorluklar vardır. I. Dünya Savaşı’ndan (1914-18) önce çok sayıda buharlı otomobil vardı ve Londra caddelerinde buhar makinesiyle çalışan otobüsler işliyordu. Buharla çalışan otomobiller saatte 100 kilometrenin üstünde bir hıza ulaşabiliyordu ve çok sessizdi.
Buhar makineleri günümüzde de çok büyük gemilerde ve büyük termik santrallarda içten yanmalı m otorlara tercih edilir. Günümüzde bütün nükleer enerji santrallarında türbinler nükleer reaktörlerin ürettiği ısıyla ısıtılan sudan elde edilen buharla çalışır. Nükleer reaktörlerin ürettiği ısının en uygun kullanım yolu budur. Petrolün giderek kıtlaşması ve yükselen petrol fiyatları buhar makinelerinin karayolu ve demiryolu taşımacılığı gibi başka alanlarda da kullanımının yeniden canlanmasına neden olabilir.
