- İlk kirişli motorlar, buharın genleşmesi ve yoğuşması ile atmosfer basıncını kullanarak sürekli yaklaşık 15 beygir gücü üretiyor; doğrusal ileri-geri hareketi dönmeye çevirerek Sanayi Devrimi döneminde maden ve fabrika makinelerini çalıştırıyordu
- Newcomen motoru, buharı yoğuşturup vakum oluşturarak pistonu atmosfer basıncıyla hareket ettiriyordu; ancak her strokta silindiri soğutup yeniden ısıttığı için buharın yaklaşık dörtte üçünü boşa harcıyordu
- James Watt’ın ayrı yoğuşturucusu, silindiri sıcak, yoğuşturucuyu soğuk tutarak kömür tüketimini yaklaşık üçte iki azalttı; çift etkili silindir, cut-off ve hassas işleme sayesinde iki yönde de verimli güç üretti
- Sürgülü valf ve eksantrik, kiriş ve paralel hareket mekanizması, krank ve volan, besleme suyu pompası ve regülatör; buhar akışını, doğrusal hareketi, dönüşü, kazan beslemesini ve hız kontrolünü tek bir otomatik çalışma sistemi içinde birbirine bağladı
- Isıl verim Newcomen’da yaklaşık %0,5 iken Watt’ta yaklaşık %3’e, 1890’ların büyük gemi makinelerinde %10’un üzerine, modern buhar türbinli santrallerde %40’ın üzerine çıktı; elektrik motorları yaygınlaştıkça merkezi kirişli motor ile mil-kayış düzeni yavaş yavaş yerini onlara bıraktı
Buharın genleşmesi ve basınç
- Su kaynayıp buhara dönüştüğünde başlangıç hacminin yaklaşık 1.700 katına genleşir
- Bir bardak su yaklaşık 400 litre buhara dönüşür; bu da iki küveti dolduracak kadardır
- Genleşecek yer yetersizse kabın tüm duvarlarını iter; bu kuvvetin alana bölünmüş hâli basınçtır
- Suyun yüzeyine uygulanan buhar basıncı, suyun temas ettiği her yere eşit biçimde iletilir
- Basınç farkı 1 atmosfer olduğunda, piston alanının her 1 cm²’si başına yaklaşık 1 kg kuvvet elde edilir
- Piston çapını iki katına çıkarmak alanı ve kuvveti dört katına çıkarır
- İlk imalatçılar yüksek basınçlı buharı güvenle kullanamadıkları için, içine insan girecek kadar büyük düşük basınçlı silindirler kullandılar
Atmosfer basıncı ve buhar vakumu
- Yeryüzünde kesit alanı 1 cm² olup atmosferin sonuna kadar uzanan hava sütunu yaklaşık 1 kg’dır; atmosfer her 1 cm²’ye yaklaşık 1 kg kuvvet uygular
- Vücudun içindeki hava ve sıvılar da aynı basınçla dışarı doğru ittiği için normalde atmosfer basıncını hissetmeyiz
- Pipetle içerken pipetin iç basıncı düşer; bardağın yüzeyindeki atmosfer basıncı sıvıyı yukarı iter
- Otto von Guericke, 1654’te çapı yaklaşık 0,5 m olan iki bakır yarımkürenin içindeki havayı boşalttı
- Atmosfer basıncı yarımküreleri yaklaşık 2 tonluk kuvvetle bir arada tuttu; birkaç at bile ayıramadı
- Valf açılıp içeri hava alınınca elle ayrılabildiler
- Bir kap buharla doldurulduktan sonra üzerine su püskürtülerek soğutulursa, buhar hacminin yaklaşık 1/1.700’ü kadar suya yoğuşur ve hızla vakum oluşturabilir
- Pistonun altındaki buhar yoğuşursa, üst taraftaki atmosfer basıncı pistonu vakum yönünde aşağı bastırır
- Çapı 0,5 m olan bir piston, tam vakumda yaklaşık 2 ton kuvvet toplayabilir
Newcomen’ın maden drenaj motoru
- 1700’lerin başında madenler yeraltı su seviyesinin altına indikçe su sürekli sızıyor; at vardiyaları gece gündüz pompa çevirmesine rağmen yağışlı mevsimde kömür ocakları terk edilmek zorunda kalıyordu
- Thomas Newcomen, vakum pistonunu dev bir salınımlı kirişe bağlayarak tüm gün çalışan bir motor yaptı
- Atmosfer basıncı pistonu aşağı ittiğinde karşı taraftaki ağır pompa çubuğu yukarı kalkıyordu
- Pompa çubuğunun ağırlığı pistonu yeniden yukarı kaldırırken silindir buharla doluyordu
- İlk başarılı motor 1712’de Dudley yakınındaki bir kömür ocağına kuruldu
- Dakikada yaklaşık 12 strokla çalışıyordu
- Her strokta yaklaşık 45 litre suyu 50 m yüksekliğe kaldırıyordu
- Yemek ya da dinlenme gerektirmeden 24 saat çalışabildiği için Cornwall’dan Newcastle’a kadar yayıldı
- 50 cm çaplı bir piston tam vakumda yaklaşık 2 ton kuvvet elde eder; kaçaklar ve pompa çubuğunun ağırlığı hesaba katıldığında yaklaşık 4 kW’lık faydalı iş yapabiliyordu
- Bunu bir gün boyunca onun yerine yapmak için yaklaşık 15–20 atın vardiyalı çalışması gerekirdi
- Watt daha sonra motorları, yerini aldığı at sayısına göre sattı ve 1 beygir gücünü dakikada 33.000 foot-pound olarak tanımladı
-
İlk silindirlerde işleme sınırları
- Büyük demir silindirleri dökmekten daha zor olan, içlerini düz ve yuvarlak hâle getirmekti
- Newcomen’ın silindirleri elle taşlanarak yapılıyor; düzensiz iç duvarlar, suyla örtülü deri kanatçıklarla sızdırmaz hâle getiriliyordu
- Denis Papin, 1690’da pistonun altındaki suyu kaynatıp yükselttikten sonra yoğuşturarak atmosfer basıncıyla aşağı indirme ilkesini gösterdi; ancak bunu sürekli çalışan bir motora dönüştürmedi
Newcomen motorunun yakıt israfı
- Soğuk su doğrudan silindirin içine püskürtüldüğü için yalnızca buhar değil, devasa demir silindir de soğuyordu
- Bir sonraki strokta silindiri yeniden ısıtmak için buharın yaklaşık dörtte üçü boşa harcanıyordu
- Kömür ocakları, ticari değeri olmayan küçük kömür parçaları olan slack’i yakıt olarak kullanabildiğinden bu verimsizliğe katlanabiliyordu; başka bölgelerdeyse yakıt maliyeti çok yüksekti
- Yüksek tüketim nedeniyle buhar motoru sonraki yaklaşık 50 yıl boyunca kömür ocaklarıyla sınırlı kaldı
Düşük basınçlı kazanlar ve atmosfer basıncının avantajı
- Newcomen’ın haystack boiler tipi kazanı, atmosfer basıncından yalnızca yaklaşık 1/20 atmosfer daha yüksek buhar üretiyordu
- İnce bakır ve demir levhalar ile perçinlerden yapılmıştı; geniş duvarlar ve zayıf birleşimler yüksek basınca dayanamazdı
- Buhar doğrudan iterse 1 cm² başına yaklaşık 50 g kuvvet sağlar; yoğuşturulup atmosfer basıncı kullanıldığında ise yaklaşık 1 kg, yani yaklaşık 20 kat kuvvet elde edilir
- Thomas Savery, 1690’larda lehimli bakır kazanlarla yüksek basınçlı buhar kullanmaya çalıştı
- Ateş lehimi yumuşatıyor, ek yerleri sızdırdığı için sık sık onarım gerekiyordu
- Newcomen, atmosfer basıncına yakın buhar kullanarak ince kurşun, dövme demir levha ve perçinli yapıyı seçti
- Watt’ın waggon boiler tipi kazanı, geniş bir su haznesinin altından sıcak gaz gönderiyor ve yuvarlak çatının altında buhar topluyordu
- Geniş taban ısıyı iyi alıyordu; ancak düz yanlar ve içe doğru kıvrık taban basınca karşı zayıftı
- Sonraki imalatçılar, düz yüzeyleri ve içe dönük eğrileri ortadan kaldırmak için tamamını dışa doğru kavisli uzun bir silindir şeklinde yaptı
- Silindir yarıçapı büyüdükçe aynı basınçta açılmaya zorlayan kuvvet de arttığı için kazanlar dar üretildi
- 2 atmosfer basınçlı, 0,5 m yarıçaplı bir silindirde levhanın her 1 metresine çevresel yönde yaklaşık 10 ton yük biner; boyuna gerilme bunun yarısıdır
- Küresel biçim yükü daha eşit dağıtır, ancak haddelenmiş ve perçinli levhalarla üretmek zordu
- Demir ve perçin teknolojisi geliştikçe daha yüksek basınçlar mümkün hâle geldi; Richard Trevithick 1800 dolaylarında birkaç atmosfer basınçlı motorlar çalıştırdı
Watt’ın ayrı yoğuşturucusu
- James Watt, 1765’te University of Glasgow’da bir Newcomen model motorunu onarırken aşırı buhar tüketimini analiz etti
- Joseph Black tarafından incelenen gizli ısı (latent heat) kavramına göre 1 kg suyu kaynatıp buhara dönüştürmek, onu donma noktasından kaynama noktasına kadar ısıtmaktan beş kattan fazla enerji gerektirir
- Silindirdeki buharı yoğuşturmak için teorik olarak gereken kadar su eklendiğinde, gizli ısı suyu ısıtıyor ve yoğuşma durduğu için yeterli vakum oluşmuyordu
- Daha fazla soğuk su eklenirse vakum oluşuyor; ancak silindir de soğuyup bir sonraki strokta yeniden ısıtılması gerekiyordu
- Watt, silindiri sıcak tutup ayrı bir yoğuşturucuyu soğuk tutan bir yapı geliştirdi
- Strok sonunda valf açıldığında buhar soğuk yoğuşturucuya geçiyordu
- Buhar suya dönüşürken yoğuşturucuya bağlı silindirin basıncı da düşüyordu
- Motorun çalıştırdığı küçük bir hava pompası, yoğuşma suyunu ve içeri giren havayı her strokta uzaklaştırıyordu
- Ayrı yoğuşturucu kömür tüketimini yaklaşık üçte iki azalttı
- Watt ve Matthew Boulton, müşterilerin tasarruf ettiği kömür maliyetinin üçte birini ücret olarak aldı
-
Hassas silindir üretimi
- Watt motoru, Newcomen’ın gevşek, suyla sızdırmazlık sağlayan pistonundan çok daha hassas silindirler gerektiriyordu
- John Wilkinson, 1775 dolaylarında top namlusu işleme tekniğini uyarlayarak iki uçtan desteklenen rijit kesici çubuk kullanan bir boring mill geliştirdi
- 1776’da Tipton’a kurulan 50 inçlik silindirde boyut sapması eski bir 1 şilinlik madeni paranın kalınlığından küçüktü; buhar kaçaklarını önleyerek Watt motorunu pratik hâle getirdi
Çift etkili makine ve buhar tasarrufu
- Hassas silindiri temel alan Watt, üst kısmı kapatıp pistonun iki tarafına sırayla buhar veren çift etkili (double-acting) makineyi geliştirdi
- Aşağı strokta üstteki buhar iter, alttaki kondanser basıncı düşürür
- Dönüş strokunda bağlantılar ters çevrilir ve aynı süreç ters yönde gerçekleşir
- Tek bir silindir iki strokta da güç ürettiği için değirmen makinelerini döndürmek için daha düzenli bir itme-çekme kuvveti sağlar
- Silindirin iki ucundan birini kazana, diğerini egzoza bağlamak ve piston geri dönmeden önce bu iki bağlantıyı değiştirmek gerektiğinden valf düzeni karmaşıklaşır
-
Sürgülü valf ve eksantrik
- Tek bir sürgülü valf birkaç cm hareket ederek silindirin bir ucunu taze buhara, karşı ucunu egzoza bağlar
- Valf, taze buharla dolu demir bir kutu olan buhar sandığının (steam chest) içinde yer alır
- Dıştaki iki port silindirin iki ucuna gider
- Ortadaki port egzozu dışarı verir
- Geniş, içi boş D biçimli valfin bir kenarı buhar portunu açar; boş arka yüzü ise karşı portu egzoza bağlar
- Döner mil üzerindeki eksantrik (eccentric) valf ile pistonu senkronize eder
- Mil merkezinden biraz sapmış diskin merkezi küçük bir çember çizerek döner
- Diski saran kayış/kelepçe valf çubuğunu ileri geri hareket ettirir
- Mil üzerindeki konumu, piston strok sonuna ulaşmadan bir sonraki port açılacak şekilde ayarlanır
-
Cutoff ve bileşik genleşme
- Piston strok sonuna ulaşmadan buhar portu kapatılırsa, içeride kalan buhar genleşerek itmeye devam eder ama basınç giderek düşer
- Strokun yarısında beslemeyi kesen %50 cutoff, buharın yalnızca yarısını kullanırken ideal tam strok işinin yaklaşık %85’ini üretir
- Hesap, ilk yarıda
pV/2, ikinci yarıdaki genleşmede ise yaklaşık0.35pViş elde edilmesine dayanır - Daha erken kesmek buhardan daha çok tasarruf sağlar, ancak basınç sürtünmeyi ve ölü nokta civarındaki elverişsiz kaldıraç etkisini yenemeyebilir
- Watt bu yöntemin patentini 1782’de aldı
- Daha sonra bileşik makineler, bir silindirin egzozunu daha büyük ikinci bir silindire, bazen de üçüncü silindire göndererek genleşme sürecinden ek iş elde etti
Makine içindeki işin ölçülmesi
- Watt’ın yardımcısı John Southern, 1796’da opak silindirin içindeki basıncı ölçen bir cihaz yaptı
- Yaylı küçük bir piston, basınca göre kalemi yukarı aşağı hareket ettiriyordu
- Ana pistonla bağlantılı kâğıt yana doğru hareket ediyordu
- Ortaya çıkan indikatör diyagramı (indicator diagram) strok boyunca basıncı gösterir; kapalı eğrinin içindeki alan üretilen iş miktarını ölçer
- Piston kaçakları, geç cutoff ve sınırlı egzoz farklı diyagram biçimleri oluşturduğundan, tek bir kartla durum teşhisi yapılabiliyordu
- Boulton & Watt bu cihazı yıllarca gizli tuttu
- Émile Clapeyron, 1834’te aynı tür basınç-hacim diyagramıyla Sadi Carnot’nun ısı makinesi teorisini açıkladı; modern termodinamikte de basınç ve hacim birlikte gösterilir
Doğrusal ileri-geri hareketi dönmeye çevirmek
- Pistonun ileri-geri hareketi pompada doğrudan kullanılabilir, ancak fabrika makineleri için dönme gerekir
- Krankın mil merkezinden kaçık pimi ile piston biyel kolu ile bağlanırsa ileri-geri kuvvet mili döndürür
- Bir devirde iki kez krank ile kolun aynı hizaya geldiği ölü noktada (dead centre), kuvvet doğrudan mil merkezinden geçtiği için dönme momenti kaybolur
- Büyük volan, krankın kaldıraç etkisi iyi olduğunda enerjiyi depolar ve ölü noktadan geçerken geri verir
- Volan ne kadar ağırsa dönme hızı değişimi o kadar küçük olur; çıkış daha yumuşak ve düzenli hale gelir
-
Krank patenti ve sun-and-planet gear
- James Pickard, 1780’de buhar makinesinde krank kullanımının patentini aldı
- William Murdoch, patenti aşmak için sun-and-planet gear tasarladı
- Biyel kolundaki dişli, volan milindeki başka bir dişlinin etrafında dönerek kirişin her çevriminde mili iki kez döndürür
- Pickard’ın patenti 1794’te sona erince üreticiler daha basit krank düzenine geri döndü
- Bu yapı planet dişli ailesindendir; birden fazla planet gear yükü paylaşırken giriş ve çıkışı aynı eksene yerleştirebilir
- Akülü matkaplarda, bisiklet göbeklerinde, otomatik şanzımanlarda ve rüzgâr türbinlerinde kullanılır
- Hibrit otomobillerde motor, elektrik motoru ve tekerlekler arasındaki gücü paylaştırır
Kiriş ve paralel hareket
- Krank pimi yalnızca yukarı aşağı değil, yana doğru da hareket eder; ancak piston kolunun silindirin üstündeki sızdırmazlık bölümünden düz geçmesi gerekir
- Doğrudan bağlanırsa pistona yanal kuvvet biner ve sızdırmazlık bölümü hızla hasar görür
- Kiriş, yanal yükü o dönemde hassas üretimi mümkün olan büyük dairesel yataklara aktarır; ancak kiriş ucunun kendisi bir yay çizer
- Watt’ın 1784’te patentini aldığı paralel hareket (parallel motion), kirişi ve sabit noktaları birden fazla mafsallı bağlantıyla birleştirir
- Kiriş piston kolunu bir yönde çekerken başka bir bağlantı neredeyse aynı miktarda ters yönde çeker
- İki eğri birbirini götürür ve piston kolu düz çizgiye çok yakın bir yol izler
- Watt, paralel hareketin yaptığı tüm mekanik icatlar arasında en çok gurur duyduğu şey olduğunu yazdı
- Kirişin karşı tarafındaki ileri-geri hareket, kazan besi suyu pompasını çalıştırmak için kullanılır
Kazan besi suyu pompası
- Kazanın iç basıncı nedeniyle su tankı basitçe bağlanırsa su geri akar; bu yüzden çalışmayı durdurmadan su beslemek için pompa gerekir
- Kiriş ucu, dar bir plunger ve iki tek yönlü çek valf içeren bir pompayı hareket ettirir
- Plunger yukarı çıktığında basınç düşer, giriş valfi açılır ve tanktaki su içeri girer
- Aşağı indiğinde basınç yükselir, giriş kapanır ve kazan yönündeki çıkış valfi açılır
- İki valf de değişen su basıncına göre otomatik çalışır
- Pompa basıncı kazandan biraz yüksek olmalıdır, ancak strok başına su miktarının fazla olması gerekmez
- Plunger dar yapılırsa aynı
basınç × alanilişkisine göre gereken kuvvet azalır; makine gücünün küçük bir kısmıyla kazan su seviyesi korunabilir
Fabrikanın milleri ve deri kayışları
- Buhar makinesinden önce fabrikalar nehir kenarına kurulup ana mili su çarkıyla döndürür; demir miller, kasnaklar ve deri kayışlar dönüşü her makineye iletirdi
- Bir makinenin kayışı loose pulley’ye geçirilirse yalnızca o makine ataletiyle durur, ana mil ve diğer makineler çalışmaya devam eder
- Halat ya da kayış bir silindiri sardığında, her temas bölümündeki gerilim sürtünme yaratır ve bir sonraki bölüme aktarılan gerilimi azaltır
- Dökme demire sarılan halatın sürtünme katsayısı yaklaşık 0,3 kabul edilirse azalma
e^-μθbiçiminde birikir - 2.000 N’luk yük, bir direğe bir tur sarıldığında ele 300 N, iki turda 46 N, üç turda ise yalnızca 7 N olarak iletilir
- Dökme demire sarılan halatın sürtünme katsayısı yaklaşık 0,3 kabul edilirse azalma
- Kayış takılırken gerilir, böylece iki taraf benzer şekilde çekili olur
- Makine güç istediğinde sürtünme, geri dönen gevşek taraftaki gerilimin bir kısmını tahrik tarafına aktarır
- Aktarılan güç iki tarafın gerilim farkı × kayış hızıdır
- Çapı 16 fit olan bir volan dakikada 60 devir dönerse kayış hızı yaklaşık 15 m/s olur
- 1 fit genişliğindeki deri kayışın iki tarafı arasındaki gerilim farkı 2.000 N ise yaklaşık 40 beygir gücü aktarabilir
- Düz kayışın silindirik kasnaktan çıkmasını önlemek için kasnağın ortası biraz daha kalın yapılan crown kullanılır
- Kayış merkezden saparsa konik temas yüzeyi ön kenarı merkeze yönlendirir
- Merkezde iki eğim dengelenir ve ek kılavuz olmadan konumunu korur
Su çarkından doğrudan buhar tahrikine
- Richard Arkwright’ın Cromford su gücüyle çalışan fabrikası 1771’de açıldı; ardından fabrika sisteminin yayılmasıyla iyi nehir kenarı arazileri için rekabet arttı
- Su gücüyle çalışan fabrikalar kurak mevsimde durabileceğinden, su çarkının altındaki suyu buhar pompasıyla tekrar yukarı çıkarma yöntemi kullanıldı
- Su çarkının yumuşak dönüşü korunuyordu, ancak aynı suyu yukarı basmak için kömür harcanıyordu
- Watt, makineye 10 beygir gücü iletmek için 16–20 beygir gücünde pompalama makineleri satıyordu
- Çift etkili makine ile kiriş, krank ve volanın birleşmesiyle buhar makinesi line shaft’ı doğrudan döndürebilir hale geldi
- Fabrika sahipleri artık fabrikalarını belirli bir nehir kıyısı yerine işçilere ve ham maddelere yakın kurabilir oldu
- Boulton & Watt, 1775–1800 arasında 496 makine üretti
- %38’i pompalama makinesiydi
- %62’si dönme gücü üretiyor, ağırlıklı olarak tekstil sektöründe kullanılıyordu
Regülatörün otomatik hız kontrolü
- Boşta 30 rpm’de dönen bir motora makine bağlandığında yük artar ve hız düşer
- Operatör her seferinde gaz kelebeğini ayarlayabilirdi, ancak bu çok yorucuydu; ayrıca aşırı hızlanma durumunda dökme demir volan parçalanabilirdi
- Watt, yel değirmenlerinde değirmen taşı hızını ayarlayan düzeneği buhar makinesi için merkezkaç regülatörüne (governor) uyarladı
- Boulton, 1788’de Manchester’da dönen toplarla değirmen taşını ayarlayan bir düzenek gördüğünü Watt’a aktardı
- Watt, ödünç aldığı bu fikri patentle tescil ettirmedi
- Konik dişli dikey mili döndürür; mafsallı kollara asılı iki ağır top, hıza bağlı olarak dışa doğru açılır
- Hız arttığında toplar yükselip kayar bileziği kaldırır; çatal ve uzun çubuk, steam cock’u kapatacak yönde hareket eder
- Hız yavaşladığında toplar aşağı iner ve steam cock’u yeniden açar
- Topların yüksekliği,
h = g/ω²ilişkisiyle dönüş hızını doğrudan gösterir- Kütle denklemden çıktığı için ağır toplar bağlantıları daha güçlü iter, ancak aynı hızda aynı yüksekliğe kadar yükselir
- Doğrudan krank mili hızıyla döndürülürse kol uzunluğunun yaklaşık 1 m olması gerektiğinden, konik dişliyle regülatör daha hızlı döndürülerek kısa bir sütuna monte edilir
Tamamlanmış kirişli motor
- Güç, kazan buharı → silindir ve piston → valf mekanizması → paralel hareket → kiriş → biyel kolu → krank ve volan → kayış kasnağı sırasıyla aktarılır
- Regülatör, yük değişimlerine göre buhar beslemesini ayarlar; kirişin karşı tarafındaki besleme suyu pompası ise kazana su takviyesi yapar
- 1785’te Londra’daki Whitbread's brewery tesisine kurulan, günümüze ulaşmış en eski döner motor da aynı biçimdedir
- Silindir çapı 64 cm, piston stroku 1,8 m idi
- 4,3 m çapındaki volan dakikada 20 devir dönüyor ve saatte yaklaşık 40 kg kömür yakıyordu
- Başta 10 beygir gücü olarak değerlendirildi ve bira fabrikasındaki atla döndürülen çarkın yerini aldı
- 1795’te çift etkili hale dönüştürüldükten sonra aynı silindir 15 beygir gücü olarak yeniden değerlendirildi
- Boulton & Watt’ın yıllık ücreti güce göre arttığı için bira fabrikası 20 beygir gücü değerlendirmesini reddetti
- Toplam 102 yıl çalıştı
Kirişli motordan sonraki değişimler
- 1780’lerde takım tezgâhları uzun crosshead kızaklarını hassas biçimde üretemediğinden kirişe ve paralel harekete ihtiyaç vardı
-
- yüzyılda planya tezgâhları geliştikçe düz kızaklar pratik hale geldi ve ağır kiriş gereksizleşti
- 1860’larda yeni fabrika motorlarının çoğu volanı doğrudan tahrik ediyordu
- Amerikan çarklı vapurları, yaklaşık 20 rpm gibi düşük hızlarda yüksek torka ihtiyaç duyuyor ve su hattının üstünde altına göre daha fazla alan bulunduğundan 1880’lere kadar yüksek walking beam kullandı
- Okyanus aşırı gemiler benzer makineleri gövdenin içine yerleştirdi; çarkların yerini vidalı pervaneler aldıkça daha küçük ve daha hızlı motorlara geçildi
- Hat milleri ve deri kayışlar 20. yüzyıla kadar fabrika tavanlarında varlığını sürdürdü
- Elektrik motorları her makineye bağımsız bir dönme kaynağı sağladıkça uzun miller ve kayışların yerini elektrik kabloları aldı
- Tek bir torna durdurulsa bile tüm fabrikayı döndüren merkezi motorun yükü değişmez hale geldi
Buhar makinesi verimliliğinin gelişimi
- Newcomen motoru, kömür ısısının yalnızca yaklaşık %0,5’ini yararlı işe dönüştürüyordu
- Watt’ın ayrı yoğuşturucusu, yararlı oranı yaklaşık %3’e çıkararak buhar gücünün kömür madenlerinin dışına yayılmasını sağladı
- Corliss valves buhar genleşmesini daha hassas kontrol ederken, compound engines buharı birden fazla silindirde kademeli olarak genleştirir
- 1890’larda Titanic’te kullanılanlar gibi büyük gemi motorları, yüksek basınç ve bileşik genleşmeyle verimliliği %10’un üzerine çıkardı
- Buhar türbini, ileri geri hareket eden pistonu sürekli dönen bir çarkla değiştirdi; modern buhar türbinli santraller ısının %40’tan fazlasını elektriğe dönüştürür
1 yorum
Hacker News görüşleri
Yazarı benim. Beam engine buharla güç üretir ve erken Sanayi Devrimi'nde kilit bir rol oynadı. Yazıda çalışma prensibini, tarihini ve yapımcıların karşılaştığı mühendislik ödünleşimlerini derinlemesine ele aldım; ayrıca kavramları kolayca görülebilir kılmak için çeşitli etkileşimli diyagramlar ekledim
Bunların her biri tek başına bile mevcut yazıdan çok daha uzun bir genişletmeye dönüşebilir. “Su ve ısıyla buhar üretilir, buhar pistonu iter ve doğrusal hareket dönme hareketine çevrilir” açıklaması basit görünebilir ama gerçek düzenek hiç de basit değildir
George Polya(0), Richard Feynman(1), Grace Hopper(2) bu geleneğin örnek isimleri. Ben de blog ve kaynak kodla deniyorum ama etkileşimli görseller yapmak inanılmaz derecede zor, bu yüzden bu yazıya ne kadar sevgi ve emek verildiğini tahmin edebiliyorum
Eski teknolojilere bakarken aklıma ilk gelen şey “Nasıl çalışıyor?”dan çok “Bunu nasıl yapabildiler?” oluyor. Vakumu nasıl oluşturup doğruladıklarını, alaşımları doğru şekle nasıl döktüklerini, hassas aynaları nasıl ürettiklerini, başarılı olmadan önce kaç kez başarısız olduklarını, parçaları nasıl yağlayıp sızdırmaz hale getirdiklerini merak ediyorum
Birkaç gün çalışarak icadın %80'ini açıklayabilirim ama kendim yapmaya kalksam sürekli teknik engellere çarpıp o makinenin %1'ini bile yeniden üretemezdim ve her biri yıllar alırdı gibi geliyor
Üç yaşında bir çocuk yetiştirirken beklediğimden çok daha fazla buharlı lokomotif mühendisliği öğrenmiş olmam hoş bir sürpriz oldu. Doğru anda istenen hareketi üretmek için uygun şekilleri ve bağlantıları birleştiren, kusursuz çevrimi ve governor'ı gerçekleştiren yaratıcılık hayranlık verici
Her parçanın hangi sorunu çözdüğünü adım adım göstermesi özellikle çok başarılı; sadece lokomotifleri ele alan bir yazı da görmek isterim
Basınçlı havayla ya da bir espresso makinesinin buhar çubuğuyla da gayet iyi çalışıyor. Çocukken babam çelik aerosol kutusu, bakır boru ve pirinç levhadan yapılmış alkol brülörlü bir kazan da yapmıştı ama bu beş yaşındaki bir çocuk için uygun değildi; zaten o zaman da ancak on iki yaşlarımdayken ateşlememe izin vermişti
Hareket eden ve gerçekten iş yapan mekanik sistemler hem çocuklara hem yetişkinlere büyük bir tatmin veriyor
Buhar motoru silindirlerinde yanma olmadığı için su ceketleri ters etki yapar; bu yüzden içten yanmalı motorlara kıyasla çok daha aşırı bir ısıl ortamda çalışırlar. Isıl genleşme hesaba katılarak delik hafif konik işlenir ve çift etkili motorlarda pistonun iki uçta da sıkışmaması için silindir deliği bazen çok hafif kum saati biçiminde yapılır. Daha derine inmek isterseniz Doble buharlı otomobil teknolojisine ya da Besler uçak motoruna bakabilirsiniz
Bir şeyi sonuna kadar zorlamak anlamındaki “balls out” ifadesinin, santrifüjlü motor governor'ının ağırlıklarının en yüksek hızda tamamen dışa açılmasından geldiği söyleniyor
https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_governor
İş yerindeki bir toplantıda bu ifadeyi kullanmıştım; müstehcen olduğu gerekçesiyle itiraz geldi ama kökenini anlatınca herkes bunun testislerle ilgili bir deyim olduğunu sandığı için şaşırdı
Antik Yunan’da oyuncak olarak kullanılan Hero’s engine adlı bir buhar makinesi vardı. Piston, valf vb. yapacak metalurji ve işleme teknolojisi yetersiz olduğu için bunun ötesinde kullanılamadı
Teknolojik ilerleme her zaman tekrar tekrar birikerek oluşur; birdenbire devrimsel şekilde ortaya çıkmaz. İster programlama dili, ister framework, ister metodoloji olsun, devlerin omuzlarında yükselmeyen bir yeniliğin uygulanacağı bir temel zaten yoktur
Temel bir güç aktarım düzeneği eklenebilirdi, ama muhtemelen pratik olmadığı düşünülüyordu
Metin yazı tipine kadar https://ciechanow.ski ile çok benziyor ve IBM Plex Sans gibi görünüyor. Tüm birimlerin SI birim sistemi olması da özellikle sevindirici
Fred Dibnah’ın BBC serisi Age of Steam, Britanya buhar makinesi teknolojisinin ve Sanayi Devrimi’nin gelişimini mükemmel biçimde özetliyor
https://www.youtube.com/watch?v=kl_UA36ouzM&list=PL2vJ5Cg-wl...
London’da gerçek bir beam engine görmek isterseniz Tottenham’daki https://www.mbeam.org/ adresinde var
YouTube’daki Quinn(Blondihacks), model mühendisliği ve talaşlı imalat konusunda uzman; kazan ve buhar makinesi yapım sürecini dışarıdan biri için de anlaşılır şekilde gösteriyor
Başlangıç videosu The Model Engineering Learning Curve(https://www.youtube.com/watch?v=Ps_BQJEMnGA) özellikle tavsiye edilir. Yıllar içinde model lokomotifler yaparak 100’den fazla video biriktirdi (oynatma listesi) ve talaşlı imalat model motorlarının “Hello World”ü sayılan wobbler’ı da tanıtıyor (video)
Bu yazıdan tek bir şeye bakacaksanız, bu videoları öneririm
İlk buhar makinesi, silindiri buharla doldurup ardından yoğunlaştırarak pistonu çeken bir vakum motoruydu. Watt’ın iyileştirmesi ve patenti, silindirin tamamını her seferinde yeniden ısıtmayı gerektirmeyen ayrı bir kondenserdi ve kömür tüketimini yarıya indirdi
Watt, üretim hakkı yerine işletme lisansı satarak, patent sayesinde tasarruf edilen kömür maliyetinin yarısını alıyordu. Sonuç olarak çok sayıda lisanssız motor vardı ve patentten kaçınmak için kondenserin silindirden ayrılmadığı, bunun yerine bir şekilde entegre olduğu öne sürülürdü