Buhar Makinası

Buhar Makinası

Buharın sahip olduğu enerjiyi kullanarak mekanik enerji elde etmeye yarayan makina. Esas olarak ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Buharı meydana getiren moleküller, taşıdıkları ısı enerjisi dolayısıyla, daima hareket halinde olduğundan, bulundukları kabın çeperlerine basınç yaparak kuvvet uygularlar. Bu da mekanik olarak bir itme kuvveti kaynağıdır. Bunun için silindir içindeki pistonun buharın bu itme tesiriyle hareket etmesinden mekanik enerji elde edilmiş olur. Pistonun hareketi iki ayrı ana prensibe göre sağlanabilir.

Atmosfer basınçlı buhar makinalarında pistonun çalışma yüzüne buhar girmesiyle ileri hareket, sonra bu buharın soğutulup basıncının düşmesiyle, pistonun diğer yüzündeki atmosfer basıncıyla aradaki fark dolayısıyla, geri hareket sağlanır. iki zamanlı buhar makinalarında ise buhar, hareketli bir kapak vasıtasıyla pistonun iki yüzüne sırayla gönderilerek pistonun hareketi ve iş yapan buharın dışarı atılması sağlanır. Pistonun gidip-gelmesi, piston koluna bağlanan bir su tulumbasının koluyla su pompalamada veya piston koluna bağlanan bir krank-biyel mekanizmasıyla dönme hareketi elde

etmek gayesiyle pekçok endüstriyel sahada kullanılır. Buhar enerjisinden faydalanarak mekanik enerji elde edilen diğer bir şekil, en gelişmiş buhar makinası olan buhar türbinlerinde buharın kullanılmasıdır. Buhar makinası, denince umûmiyetle krank-biyel mekanizmasıyla dönme hareketi elde edilen makinalar anlaşılsa da, buhar makinalarının tarihi bir gelişimi vardır ve bu gelişmeye bağlı olarak değişik adlar altında değişik gayelerle kullanılmışlardır

Endüstrinin gelişmesinde buhar makinasının büyük rolü vardır. Çünkü buhar makinasının, çalışmasını sağlayan güç, o zamana kadar kullanılan makinalardaki gibi belli bir yere bağlı değildir. iki asra yakın bir zamana kadar endüstriye ve ulaşım araçlarına hakim olmuştur

Mekanik olarak buharın enerjisinden faydalanmayı ilk olarak bir Fransız mühendisi olan Salamon de Caus düşünmüştür. 1663 lerde Worcester Markisinin yaptığı buhar çeşmesi denen makina, Salomon de Causun düşüncesinden hareketle yapılmıştır. Bu sayede buhar basıncından faydalanarak suyun yükseklere çıkarılabilmesi sağlanmıştır. 1698 yılında bir ingiliz olan Thomas Savery buhar pompası denen ve su pompalamada kullanılan makinayı yaptı. Bu makina tamamen buharın ısıtılıp soğutulmasından ileri gelen basınç yükselme ve düşmeleri neticesindeki basınç farkına göre çalışmaktaydı

Bir pistonun bir silindir içinde hareketini sağlayacak şekilde buhar basıncından faydalanma, 1679 larda buharlı tencerenin bulucusu olan Fransız Denis Papin tarafından gerçekleştirildi. Bu prensipten hareketle bir emme tulumbasının kolunu, silindir içinde hareket eden pistonla irtibatlayarak, su pompalamaya yarayan ve Saveryin buhar pompasından daha değişik, gelişmiş bir buhar makinası Thomas Newcomen tarafından yapıldı. Newcomen makinası ile aynı gayeler için kullanılabilen Savery buhar pompasında hareketli herhangi bir piston yoktur. Buhar elde etmeye yarayan kazan, suyu

emmeye ve basmaya yarayan oval bir kap ve bu kabın emme ve basma tarafına bağlı borulardan ibaretti. Ayrıca borularda suyun aşağı doğru kaçmaması için tek yönlü kapaklar bulunurdu. Oval kaba buhar gönderilince, daha önce emilen ve kapta bulunan su, basma borusundan yukarı basılırdı. Sonra buhar vanası kapatılıp, oval kaptaki buhar, başka bir kaptan gönderilen su ile yoğunlaştırılır dolayısıyla kaptaki basınç atmosfer basıncının altına düşerdi. Neticede emme su borusundan kabın içine dolup, bu su tekrar buhar gönderilerek yukarı basılırdı

Newcomen makinası, Savery pompasından farklı olarak piston-silindir sistemine sahiptir. Kazandan silindire gönderilen buhar, su püskürtmek sûretiyle soğutulup, oluşan düşük basınç pistonun aşağı inmesini sağlar. Meydana gelen artık su bir boruyla dışarı atılıp, tekrar silindire buhar gönderilmek sûretiyle de pistonun yukarı çıkması sağlanır. Pistona bağlı bir piston kolu, bir emme-basma tulumbasının yatay koluna bağlanarak pistonun aşağı yukarı hareketi pompalama için kullanılır. Her iki makina keşif zamanlarına göre gelişmiş makinalar olsa da verimleri çok düşüktür

Döner hareket elde edilen buhar makinalarındaki en önemli gelişmeyi James Watt adında bir ingiliz yapmıştır. Pistonun her iki yüzüne buhar göndermek sûretiyle hareketi sağlanan bu makinada buharın sırayla pistonun her iki yüzüne girip çıkışını sağlamak gayesiyle dönme hareketine bağlı olarak çalışan çeşitli kapaklar kullanılır. Bunlar buhar pistonunun bir yüzüne girerken,diğer yüzdeki artık buharın

dışarı atılmasını sağlayan delikleri sırayla açıp kapamaya yarar.Pistonun her iki yüzüne ard arda tesir eden buhar, pistonun gidip-gelme hareketi yapmasını sağlar. Bu gidip-gelme hareketi ise, piston kolu vasıtasıyla krank mili harekete geçirilerek dönme hareketine çevrilir. Piston kolu ile krank kolu arasında biyel denen bir kol daha vardır. Bu kol eski makinalarda doğrudan bir ucu piston koluna, diğer ucu krank koluna mafsallı olarak yerleştirilir

Daha sonraları 1803 te Richard Trevithickin bulduğu kayar kafa sistemiyle pistonun biyele birleştiği mafsal düzgün olarak aynen piston gibi gidip-gelme yapacak şekilde tesbit edilmiştir. Piston kolunun doğrudan krank koluna bağlı olduğu, yani biyelin olmadığı sistemler de vardır. Pistonun her iki yöne en fazla gidebileceği noktada piston kolu ile krank kolu aynı doğru üzerine gelir

Bu noktalara ölü noktalar denir. Bu ölü noktalardan krankın geçmesi için tek silindirli makinalarda volan denen ve krankla birlikte dönen kütlelerin ataletlerinden faydalanılır. Çok silindirli makinalarda ise krank kolları arasında belli bir açı olacak şekilde yapılır

Lokomotif, gemi, otomobil gibi vasıtaları harekete geçirmekte ve çeşitli sanayi alanlarında kullanılan döner hareketli buhar makinalarının pekçok çeşitleri vardır. Buhar makinalarında en önemli konu, verimin yüksek olmasıdır

En yüksek verim, yani sıcak buhardan elde edilecek en büyük mekanik enerji, girişte yüksek basınç ve çıkışta düşük sıcaklığın sağlanmasıyla elde edilir. Mesela buhar

enerjisini tamamen kullanmak için yüksek basınçlı küçük bir silindirden çıkan buhar, alçak basınçlı büyük bir silindire gönderilmek sûretiyle çalışan kademeli veya bileşik buhar makinalarının alçak-orta-yüksek basınç silindirli olmak üzere üç kademeli olanları da vardır. Hatta, iki orta basınç silindiri bulunan dört kademeli makinalar bile yapılmış, fakat pek tutulmamıştır

Üç kademeli makinalar genellikle deniz araçlarında kullanılmıştır. 1930 lara kadar Atlas Okyanusunda yolcu taşımış olan Olympic gemisinin makinası üç kademelidir. Öyle ki alçak basınç silindirinin çapı 2,5 metreye yakındır. Kademeli makinaların silindirleri yan yana düşey olabildiği gibi, yatay veya karşılıklı çalışanları da

vardır. Diğer bir ilgi çekici buhar makinası tipi de merkezden buhar çıkışlı veya eşakımlı denen makinalardır. Bunlarda buhar, silindirin ucundan girer, piston silindirin ortasından geçerken tam silindirin orta kısmında bulunan delikleri açmış olur ve böylece buhar hiç yön değiştirmeden dışarı atılır. Bu tip makina ilk defa 1908 lerde Johann Stumpf adındaki Alman tarafından geliştirilmiştir. Daha sonraları ABD, ingiltere, Almanya ve isviçrede çok büyük merkezden buhar çıkışlı makinalar yapılmıştır. Bunların silindir sayısı 5e, güçleri 30.000 beygire kadar olanları vardır.

Buhar makinalarında kullanılan buhar, çeşitli tipleri olan buhar kazanlarında üretilir Bkz. Buhar Kazanları. Pistonlu buhar makinalarının yerine geçen buhar türbinlerinin buharı da yine buhar kazanlarından sağlanır. Pistonlu buhar makinaları artık yerini dizel motorlarına, patlamalı motorlara ve elektrik motorlarına bırakmaktadır

Fakat termik santrallarda elektrik üretiminde kullanılan buhar türbinleri modern bir buhar makinası olarak hala geçerliliğini korumaktadır Bkz. Buhar Türbinleri. Gerçi buhar türbinlerinin çalışma prensibi pistonlu makinalardan farklıdır, ama her ikisinin de buharla çalışması ortak ana özellikleridir