Buharlı lokomotif

1500'lü yılların ortalarında Almanya'da kullanılmaya başlanan vagon yollarında lokomotifler atlar tarafından çekilmeye başlanmıştır. 1700'lerin başında buharlı makinenin icadı ile bu yollar demiryoluna dönüştürülmeye başlanmış ve ilk buharlı lokomotif 1804 yılında İngiltere'de Richard Trevithick ve Andrew Vivian tarafından imal edilmiştir. Lokomotif Galler'de demiryolu ölçülerine yakın ölçüde olan "Penydarren" (Merthyr Tydfil) tramvay hattında çalışmıştır. Bunu izleyen dönemde Matthew Murray tarafında ikiz silindir lokomotif 1812 yılında Vagonyolu işletmecisi Middleton Railway için yapılmıştır.

İngiltere'deki bu gelişmeler ABD'nin de çalışmalara başlamasını hızlandırmış ve 1829 yılında Baltimore-Ohio Demiryolu'nda çalışan ilk Amerikan buharlı lokomotifi Tom Thumb bu hatta çalışmaya başlamakla beraber Thumb bir deneme modeliydi ve Amerika'da Güney Karolina Demiryolu'nun açılış töreninde hizmete giren Best Friend of Charleston başarılı ilk demiryolu lokomotifi olmuştur.

Trevithick lokomotifinin yapımını izleyen 25 yıl içinde, kömür taşınan demiryollarında, sınırlı sayıda buharlı lokomotif başarıyla kullanıldı. Bunda, Napolyon savaşlarının sonlarına doğru, yem fiyatlarındaki bu yükselişin de önemli etkisi oldu. Dökme demirde yapılan Ievha yollar, buharlı lokomotifin ağırlığını çekecek güçte olmadıklarından, vagon tekerleklerini ne oturduğu "L" kesitli bu yolların yerini kısa bir süre sonra düz yüzeyli raylar ve flanşlı tekerlekler aldı.

George Stephenson, 1814’te kendinden önceki tasarımcıların deneyimlerinden yararlanarak, düz yüzeyi raylar üstünde hareket eden lokomotifler yapmaya başladı. Daha önceki lokomotiflerin aşağı yukarı tümünde, silindirler dikey durumda yerleştiriliyor ve kısmen kazanın içine daldırılıyordu. Stephenson ve Losh, 1815te tahrik gücünü pistondan ana tahrik tekerleğine dişli çarklarla iletmek yerine, ana tahrik tekerlekleri üst önde bulunan kranklar aracılığıyla, doğrudan doğruya silindirlerden iletme düşüncesinin patentini aldılar. Tahrik gücünü dişli çarklarla ileten düzenek, özellikle büyük dişlerde aşınma ortaya çıktığında, sarsıntılı bir harekete neden oluyordu. Gücü doğrudan silindirden ileten mekanizma, daha yalın olduğundan, tasarımcılara daha geniş bir serbestlik sağladı.

Lokomotif kazanları da, eskiden yalın bir boru biçimindeyken, önce dönüşlü bir boru biçimine, sonra da birçok borunun bir arada bulunduğu ve böylece daha geniş bir ısıtma yüzeyi sağladığı borulu biçime dönüşmüştür. Bu son biçimde, bir dizi boru, ocağın yandığı yanda ulunan benzer bir plakaya bağlanmıştı. Silindirlerden gelen egzoz buharı, borulardan geçip dumanın çıktığı uçtan bacaya giderken bir patlamaya neden oluyor, öylece, lokomotifin hareket olduğu sırada ateşi canlı tutuyordu. Lokomotif olduğu yerde dururken de, bir örük kullanılıyordu. Liverpool and Manchester Şirketi'nin muhasebecisi Henry Booth, 1827’de, daha ileri bir gelişme olan çokborulu kazanın patentini aldı. Stephenson da bu buluşu, Rocket adlı lokomotifinde kullandı (ama önce, bakır boruların bağlandığı uç plakalarındaki bağlantı bileziklerinin su sızdırmaması için, oldukça uzun denemeler yapması gerekmişti).

1830’dan sonra buharlı lokomotif, günümüzde bilinen biçimini aldı. Silindirler, dumanın çıktığı uca ya yatay, ya da hafifçe eğik durumda yerleştiriliyor, ateşçinin yeriyse, ocağın yandığı uçta yer alıyordu.

Silindirlerin ve dingillerin kazana bağlı olmaktan ya da kazanın tam altına yerleştirilmekten çıkmasıyla birlikte, çeşitli parçaları bir arada tutacak bir çerçevenin yapılması gerekti. İlk kez İngiliz lokomotiflerinde kullanılan çubuk çerçeve, çok geçmeden ABD’de de uygulandı ve dövme demir yapımından, dökme çelik yapımına geçildi. Silindirler, çerçevenin dışına monte ediliyordu. İngiltere’deyse, çubuk çerçevenin yerini plaka çerçeve aldı. Bunda, silindirler çerçevenin içinde yer alıyor ve çerçeveler için yaylı süspansiyonlar (sarmal ya da yaprak biçimli), dingilleri tutmak içinse dingil yatakları (yağlanmış yatak)bulunuyordu.

1860’tan sonra çeliğin kazan yapımında kullanılma a başlanmasıyla, daha yüksek basınçlarda çalışma olanağı bulundu. 19. yüzyıl sonuna doğru, 12 bar basınç, lokomotiflerde yaygınlaştı; bileşik lokomotiflerdeyse, 3,8 bar basınç kullanılmaya başlandı. Bu basınç, bu har çağında 17,2 bara çıktı. 1890 yıllarında ekspres lokomotiflerinin silindirleri, 51 cm çapında ve 66cm strokunda yapıldı. Daha sonraları ABD gibi ülkelerde silindir çapı 81 cm ye yükseldi ve hem lokomotifler, hem de vagonlar daha büyük yapılmaya başlandı.

İlk lokomotifçilerde, akstan güç alarak çalışan pompalar vardı. Ne var ki, bunlar, yalnızca motor işlerken çalışıyordu. 1859’da enjektör bulundu. Kazandan gelen, buhar (ya da daha sonraları egzoz buharı), koni biçimli iri memeden (difüzör)fışkırarak, suyu, daha yüksek bir basınçta bulunan kazana dolduruyordu. Bir "çek valf" (tek yönde çalışan vana), buharı, kazanın içinde tutuyordu.

Kuru buhar, ya kazanın tepesinden alınıp delikli bir boru içinde ya da kazanın tepesindeki bir noktadan alınıp buhar damı içinde toplanıyordu. Bu kuru buhar, daha sonra bir regülatöre aktarılıyor ve regülatör, kuru buharın dağıtımını denetliyordu. Buharlı lokomotiflerde ortaya çıkan en önemli gelişme, aşırı ısıtmanın kullanılmaya başlanması oldu.

Bir gaz borusu aracılığıyla buharı önce ocağa, daha sonra da kazanın ön ucundaki bir toplayıcıya taşıyan eğimli boru, Wilhelm Schmidt tarafından bulundu ve başka mühendisler tarafından da kullanıldı. Yakıtta, özellikle de suda elde edilen tasarruf, hemen kendini gösterdi. Sözgelimi, 12 bar basınçta ve 188 °C sıcaklıkta ‘doymuş” buhar üretiliyordu; bu buhar, 93 °C daha ısıtılarak, silindirlerde hızla genleşiyordu. Böylece, 20. yüzyılda lokomotifler, %15 gibi kısa kesme zamanlarında bile yüksek hızlarda çalışabilecek hale geldi. Çelik tekerlekler, fiberglas kazan kaplamaları, uzun adımlı piston supapları, dolaysız buhar geçitleri ve aşırı ısıtma gibi gelişmeler, buharlı lokomotif uygulamasının son aşamasına katkıda bulundu.

Kazandan gelen buhar, başka amaçlarla da kullanılıyordu. Çekiş gücünü artırma amacıyla, akıtma yerine, 1887’de sürtünme kuvvetini artıran buharla “kumlanma” kullanılmaya başlandı. Ana frenler, makineden elde edilen bir vakumla ya da bir buhar pompasının sağladığı basınçlı havayla çalıştırıldı. Ayrıca, borularla vagonlara taşınan buharla ısıtma sağlanıyor ve buharlı dinamolardan (jeneratör) elektrik ışığı elde ediliyordu.