2-5- مکانیزم پمپ ضربه‌قوچی…………………………………. 19
2-5-1- بدنه پمپ (Pump Body)………………………………. 24
2-5-2- شیر قطع و وصل (Impulse Valve)……………………….. 24
2-5-3- شیر یکطرفه (Delivery Valve)………………………….. 27
2-5-4-محفظه هوا (Air Vessel or Air Chamber)…………………….. 28
2-5-6- شیر ورود هوا (Snifter Valve)…………………………. 29
2-6- راه‌اندازی پمپ ضربه‌قوچی……………………………….. 29
2-7- طراحی پمپ ضربه‌قوچی…………………………………… 31
فصل سوم…………………………………………………….. 33
مواد و روش تحقیق……………………………………………. 33
3-1- مدلسازی و طراحی پمپ ضربه‌قوچی با استفاده از نرم‌افزار HAMMER V8i  34
3-1-1- اجزای مورد استفاده در مدل………………………… 34
3-1-2- وارد کردن اطلاعات اولیه در نرم افزار………………. 37
3-1-3- مدلسازی نمونه‌ای از پمپ ضربه‌قوچی…………………… 43
3-1-4- نرم‌افزار تهیه شده جهت مدلسازی پمپ ضربه‌قوچی……….. 46
3-2- طراحی پمپ ضربه‌قوچی در مجتمع آبرسانی استان اردبیل (مطالعه موردی تحقیق) 48
3-2-1- مشخصات کلی روستاهای طرح………………………….. 48
3-2-2- مقایسه پمپاژ به روش متعارف و روش ضربه‌قوچی…………. 50
3-2-3- طراحی خط پمپاژ به روستای گاودول…………………… 52
3-2-3-1- طراحی خط پمپاژ متعارف……………………………………. 52
3-2-3-2- طراحی خط پمپاژ ضربه‌قوچی………………………………….. 53
فصل چهارم…………………………………………………… 55
نتایج تحقیق و تحلیل آن………………………………………. 55
4-1- مقدمه………………………………………………… 56
4-2- نتایج نمونه پمپ مدل شده (بخش 3-1-3)…………………… 56
4-3- نتایج مدلسازی برای روستای گاودول (اردبیل)…………….. 62
4-4- مقایسه اقتصادی پمپاژ ضربه‌قوچی و پمپاژ متعارف………….. 77
4-5- تأثیر حجم تانک هوا بر روی حجم آب پمپاژ شده……………. 78
4-6- محاسبه نسبت دبی پمپ شده به دبی خط اصلی……………….. 79
4-7- ملاحظات طراحی پمپ ضربه‌قوچی…………………………….. 79
فصل پنجم……………………………………………………. 81
نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات…………………………………. 81
5-1- نتیجه‌گیری کلی………………………………………… 82
5-2- ارائه پیشنهادات………………………………………. 82
پیوست 1…………………………………………………….. 83
برنامه تعیین حجم پمپاژ در طراحی پمپ ضربه‌قوچی به زبان فرترن…… 84
پیوست 2…………………………………………………….. 86
نمودارهای تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای قطرهای مختلف (پمپاژ گاودول)      87
Abstract……………………………………………………… 94
 
 

فهرست اشکال
شکل ‏2‑1- معرفی توابع F و f در باز و بستن ناگهانی شیر (پارماکیان, 1955) 16
شکل ‏2‑2- نمایی از صفحه مربوط به نرم‌افزار HAMMER (HAMMER-Guide, 2012) 18
شکل ‏2‑3- اجزای تشکیل دهنده پمپ ضربه‌قوچی (Alaban, 2007) 20
شکل ‏2‑4- نمونه‌ای از تولید پمپ ضربه‌قوچی و اجزای آن (Browne, 2009) 21
شکل ‏2‑5- تصاویری از انواع مختلف پمپ ضربه‌قوچی تولید شده (Browne, 2009) 22
شکل ‏2‑6- نحوه انتقال آب بوسیله پمپ ضربه‌قوچی (Alaban, 2007) 23
شکل ‏2‑7- بخشی از اجزای تشکیل دهنده بدنه پمپ (Browne, 2009) 24
شکل ‏2‑8- شیر قطع و وصل و اجزای تشکیل‌دهنده آن (Browne, 2009) 25
شکل ‏2‑9- مراحل چهارگانه باز و بسته شدن شیر قطع و وصل (Warwichshire, 2005) 26
شکل ‏2‑10- اجزای تشکیل‌دهنده شیر یکطرفه (Browne, 2009) 27
شکل ‏2‑11- محفظه هوا (Browne, 2009) 28
شکل ‏2‑12- شیر ورود هوا (Browne, 2009) 29
شکل ‏2‑13- مراحل راه‌اندازی پمپ ضربه‌قوچی (Browne, 2009) 30
شکل ‏2‑14- نمونه‌ای از جداول طراحی و انتخاب پمپ ضربه‌قوچی (Lightman, et al., 2010) 32
شکل ‏3‑1- طرح شماتیک پمپ ضربه‌قوچی 35
شکل ‏3‑2- نحوه چیدمان عناصر مورد استفاده در HAMMER V8i برای مدلسازی پمپ ضربه‌قوچی 37
شکل ‏3‑3- نمونهای از الگوی بسته شدن شیر در HAMMER V8i برای مدلسازی پمپ ضربه قوچی 40
شکل ‏3‑4- مشخصات مورد نیاز در نوار ابزار Wave Speed Calculator برای تعیین سرعت موج 42
شکل ‏3‑5-مشخصات مایع درون لوله جهت محاسبه سرعت موج در در نرمافزار HAMMER V8i 42
شکل ‏3‑6-مشخصات خط لوله جهت محاسبه سرعت موج در در نرمافزار HAMMER V8i 43
شکل ‏3‑7- نمونه‌ای از تغییرات فشار در خط پمپاژ بعد از ایجاد ضربه با استفاده از HAMMER V8i 46
شکل ‏3‑8- الگوریتم مورد استفاده در تعیین حجم پمپاژ ناشی از هر بار بسته شدن ناگهانی شیر 47
شکل ‏3‑9- پلان کلی منطقه طرح و خطوط انتقال 49
شکل ‏3‑10- پلان طرح پمپاژ به روستای گاودول (روش متعارف) 50
شکل ‏3‑11- پلان طرح پمپاژ به روستای گاودول (روش پمپ ضربه‌قوچی) 51
شکل ‏3‑12- پروفیل خط انتقال از مخزن ایلوانق تا مخزن آناویز به طول 5600 متر 52
شکل ‏3‑13- پروفیل خط انتقال از مخزن آناویز تا مخزن گاودول به طول 4600 متر 52
شکل ‏4‑1- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 15 میلیمتر) 57
شکل ‏4‑2- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 20 میلیمتر) 58
شکل ‏4‑3- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 25 میلیمتر) 59
شکل ‏4‑4- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 32 میلیمتر) 60
شکل ‏4‑5- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 40 میلیمتر) 61
شکل ‏4‑6- نمودار تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای حالت بهینه پمپاژ (قطر خط 32 میلیمتر – حجم هوای 5 لیتر) 61
شکل ‏4‑7- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 15 میلیمتر)- اردبیل 62
شکل ‏4‑8- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 20 میلیمتر) – اردبیل 63
شکل ‏4‑9- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 25 میلیمتر) – اردبیل 64
شکل ‏4‑10- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 32 میلیمتر) – اردبیل 65
شکل ‏4‑11- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 40 میلیمتر) – اردبیل 66
شکل ‏4‑12- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 50 میلیمتر) – اردبیل 67
شکل ‏4‑13- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه   هوا (قطر 65 میلیمتر) – اردبیل 68
شکل ‏4‑14- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 80 میلیمتر) – اردبیل 69
شکل ‏4‑15- نمودار فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای قطر 100 میلیمتر 70
شکل ‏4‑16- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 80 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 72
شکل ‏4‑17- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 65 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 72
شکل ‏4‑18- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 50 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 73
شکل ‏4‑19- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 40 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 73
شکل ‏4‑20- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 32 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 74
شکل ‏4‑21- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 25 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 74
شکل ‏4‑22- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 20 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 75
شکل ‏4‑23- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 15 میلیمتر در حجم هواهای مختلف 75
شکل ‏4‑24- نمودار تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای حجم هواهای مختلف (قطر بهینه 80 میلیمتر) 79
شکل ‏7‑1- نمودار تغییرات فشار برای قطر 15 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 87
شکل ‏7‑2- نمودار تغییرات فشار برای قطر 20 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 87
شکل ‏7‑3- نمودار تغییرات فشار برای قطر 25 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 88
شکل ‏7‑4- نمودار تغییرات فشار برای قطر 32 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 88
شکل ‏7‑5- نمودار تغییرات فشار برای قطر 40 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 89
شکل ‏7‑6- نمودار تغییرات فشار برای قطر 50 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 89
شکل ‏7‑7- نمودار تغییرات فشار برای قطر 65 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 90
شکل ‏7‑8- نمودار تغییرات فشار برای قطر 80 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 90
شکل ‏7‑9- نمودار تغییرات فشار برای قطر 100 میلیمتر (در حجم بهینه هوا) 91
 

فهرست جداول
جدول ‏3‑1- پارامترهای مورد نیاز ورودی مخزن تغذیه (Drive Tank) در نرم‌افزار HAMMER V8i 38
جدول ‏3‑2- پارامترهای مورد نیاز ورودی سرج تانک (Surge Tank) در نرم‌افزار HAMMER V8i 39
جدول ‏3‑3- پارامترهای مورد نیاز ورودی محفظه هوا (Air Chamber) در نرم‌افزار HAMMER V8i 39
جدول ‏3‑4- پارامترهای مورد نیاز ورودی شیر قطع و وصل (Butterfly Valve) در نرمافزار HAMMER V8i 40
جدول ‏3‑5- پارامترهای مورد نیاز ورودی گره (Junction) در نرمافزار HAMMER V8i 41
جدول ‏3‑6- پارامترهای مورد نیاز ورودی لوله (Pipe) در نرمافزار HAMMER V8i 41
جدول ‏3‑7- مشخصات لوله اصلی انتقال آب (لوله P1) 43
جدول ‏3‑8- مقادیر پارامترهای مورد نیاز طرح 44
جدول ‏3‑9- قطرهای قابل استفاده جهت خط پمپاژ آب (لوله P2در شکل 3-1) 45
جدول ‏3‑10- مشخصات لوله اصلی انتقال آب 53
جدول ‏3‑11- مشخصات قطرهای مورد استفاده جهت خط پمپاژ آب 54
جدول ‏4‑1- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 15 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 56
جدول ‏4‑2- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 20 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 57
جدول ‏4‑3- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 25 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 58
جدول ‏4‑4- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 32 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 59
جدول ‏4‑5- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 40 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف 60
جدول ‏4‑6- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 15 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 62
جدول ‏4‑7- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 20 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 63
جدول ‏4‑8- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 25 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 64
جدول ‏4‑9- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 32 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 65
جدول ‏4‑10- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 40 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 66
جدول ‏4‑11- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 50 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 67
جدول ‏4‑12- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 65 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 68
جدول ‏4‑13- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 80 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 69
جدول ‏4‑14- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 100 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل 70
 
 
 

چکیده:
در این مطالعه، مدلسازی پمپ ضربه‌قوچی توسط نرم‌افزاری که تهیه گردیده انجام شده است. این نرم‌افزار خروجی‌های نرم‌افزار HAMMER را به عنوان ورودی در یافت نموده و با کسب اطلاعاتی دیگر (شامل ارتفاع پمپاژ و …) میزان آب پمپاژ شده را در هر بار قطع و وصل ناگهانی شیر محاسبه می‌نماید.
در این تحقیق مدلسازی نمونه‌ای از پمپ فوق در مجتمع آبرسانی کوثر شهرستان اردبیل انجام گرفته است. بر اساس تحلیل فنی و اقتصادی انجام شده مدلسازی فوق نشان می‌دهد که در مواردی که دبی پمپاژ کم باشد می‌توان به جای پمپاژ متعارف از پمپ ضربه‌قوچی استفاده نمود.
عوامل مؤثر در مدلسازی و طراحی پمپ ضربه‌قوچی شامل قطر خط پمپاژ، زمان قطع و وصل شیر، حجم هوای موجود در محفظه هوا و … می‌باشد. این پارامترها در طراحی این نوع پمپ مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
از مهمترین مزایای پمپ مذکور عدم نیاز به استفاده از انرژی‌های گران قیمت از قبیل انرژی فسیلی یا انرژی الکتریکی می‌باشد. در مواردی که امکان استفاده از انرژی‌های مذکور با سختی و هزینه زیادانجام می‌گیرد، استفاده از پمپ ضربه‌قوچی می‌تواند کارگشا باشد.
 
کلمات کلیدی:
پمپ ضربه­قوچی، نرم‌افزار HAMMER ، آبرسانی روستایی، مدلسازی هیدرولیکی
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
فصل اول
معرفی تحقیق
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1- معرفی تحقیق
پمپ­ها (تلمبه­ها) [1] از اصلی­ترین اجزای صنعت آبرسانی می­باشند. این واحد از جمله تأسیسات استراتژیک محسوب شده و یکی از آیتم­های اصلی مصرف انرژی در سیستم آبرسانی است. به منظور تعریف کاملتر و دقیقتر این پایان­نامه، ابتدا بحث مختصری راجع به انواع پمپ­ها و گروه­بندی آنها از نظر استفاده از انرژی (استفاده مستقیم یا استفاده غیرمستقیم) لازم به نظر می­رسد.
بر مبنای نحوه انتقال انرژی از پمپ به سیال، پمپ­ها را به سه دسته کلی تقسیم می­کنند (نوربخش, 1385):

پمپ­های دینامیکی[2]
پمپ­های جابجایی مثبت[3]
پمپ­های ویژه[4]
پمپ‌های دینامیکی پمپ‌هایی هستند که انرژی جنبشی آب را افزایش می‌دهند. در این نوع پمپ‌ها انتقال انرژی از پمپ به سیال به صورت پیوسته انجام می‌گیرد و مقدار سیال عبوری از واحد زمان (آبدهی) و فشار خروجی سیال از پمپ به هم وابسته می‌باشند. این دسته از پمپ‌ها شامل زیرمجموعه کاملاً متنوعی بوده که پمپ‌های چرخی[5] از مهمترین آنهاست که خود بر اساس مسیر حرکت سیال در چرخ به سه دسته پمپ‌های شعاعی[6] (برای ایجاد فشار بالا و آبدهی بالنسبه کمتر)، پمپ‌های محوری[7] (برای ایجاد آبدهی بالا و فشار کمتر) و پمپ‌های مختلط[8] (برای ایجاد فشار و آبدهی متوسط) تقسیم می‌شوند (نوربخش, 1385).
در پمپ‌های جابجایی مثبت، انتقال انرژی به سیال به صورت متناوب صورت می‌گیرد. این پمپ‌ها خود به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که از مهمترین آنها پمپ‌های رفت و برگشتی (پیستونی)[9]، گردشی[10] و لوله‌ای[11] را می‌توان نام برد. این نوع پمپ‌ها معمولاً برای دبی‌ها و لزجت‌های نامتعارف مورد استفاده قرار می‌گیرند و اغلب کاربرد صنعتی دارند (نوربخش, 1385).
سایر پمپ‌ها که مکانیزمی متفاوت از دو رده پمپ ذکر شده دارند در رده پمپ‌های ویژه قرار می‌گیرند. از این نوع پمپ‌ها می‌توان به پمپ‌های هوا[12] ، پمپ‌های اجکتور[13] و همچنین پمپ‌های قوچ­آبی (ضربه قوچی)[14] اشاره کرد. در این پمپ‌ها نحوه انتقال انرژی به سیال برای انجام حرکت خاصی اندکی متفاوت از دو نوع اول می‌باشد. لیکن باز هم به گونه‌ای می‌توان آنها را در دو دسته اول نیز جا داد.
پمپ‌های ضربه‌قوچی که موضوع این پایان‌نامه هستند، در زمره پمپ‌های ویژه بوده لیکن به عنوان پمپ جابجایی مثبت نیز قابل دسته‌بندی هستند. در این پمپ‌ها از انرژی جریان ناپایدار ضربه‌قوچ[15] در یک خط آبرسانی برای انتقال آب به ارتفاع بالا ولی در دبی‌های محدود استفاده می‌گردد. امکان‌سنجی استفاده از این نوع پمپاژ در پروژه‌های آبرسانی مناطق دوردست و با اختلاف ارتفاع بالا، موضوع تحقیق در این پایان‌نامه می‌باشد.
 

1-1- هدف از طرح مورد نظر و ضرورت انجام آن
با توجه به هزینه بالای تأمین انرژی متعارف (شامل انرژی الکتریکی یا انرژی فسیلی) در استفاده از پمپ­های رایج در صنعت آب، استفاده از پمپ­هایی که دارای مکانیزم ساده‌تر و مصرف انرژی کمتری باشند می‌تواند از جذابیت مناسبی برخوردار باشد. پمپ‌های قوچ‌آبی (ضربه­قوچی) فقط با استفاده از انرژی هیدرولیکی ناشی از جریان ناپایدار[16] در خطوط لوله، عمل پمپاژ آب را انجام می‌دهند و نیازی به استفاده از انرژی‌های الکتریکی یا فسیلی ندارند. همچنین در برخی از مناطق روستایی بعلت شرایط توپوگرافی ویژه تأمین آب روستاهای هم‌جوار از طریق یک ایستگاه پمپاژ (مجتمع­های آبرسانی) با سختی و هزینه زیاد انجام می­شود. استفاده از پمپ‌های ضربه‌قوچی می‌تواند به عنوان یکی از گزینه‌های حل مشکلات فوق مطرح گردد.

1-1-1- اهداف اصلی
هدف اصلی از انجام این پایان‌نامه، امکان‌سنجی اجرای چنین ایستگاههای پمپاژی در سیستم‌های آبرسانی، بویژه در مناطق روستایی می‌باشد.
 

1-1-2- اهداف فرعی
از جمله اهداف دیگر پروژه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

تهیه برنامه نرم‌افزاری برای تسهیل و بهینه کردن طراحی ایستگاه‌های پمپاژ ضربه‌قوچی
تعیین محدوده‌های فنی و اقتصادی استفاده از این نوع پمپاژ
حفاظت خط اصلی انتقال آب در برابر فشارهای ناشی از ضربه‌قوچ (علاوه بر عمل پمپاژ آب)
 

1-2- فرضیه اصلی
فرض اصلی تحقیق عبارت است از اینکه در صورت استفاده از پمپ‌های ضربه‌قوچی (قوچ‌آبی) در روستاهایی که امکان اجرای این پروژه وجود دارد، می‌توان بدون استفاده از انرژی گران‌قیمت الکتریکی یا فسیلی عمل انتقال آب را با راندمان بالا و نسبت سود به هزینه قابل قبول به روستاهای مذکور انجام داد. در این پروژه با مقایسه فنی و اقتصادی اجرای یک طرح در دو حالت ایستگاه‌های پمپاژ متعارف و یا استفاده از پمپ‌های قوچ‌آبی در جهت اثبات فرضیه فوق اقدام می‌گردد.
 

1-3- برنامه تحقیق
به منظور بررسی استفاده از پمپ­های ضربه‌قوچی در سیستم­های آبرسانی روستایی مراحل تحقیق زیر در نظر گرفته شده است:

مطالعات کتابخانه‌ای و تدوین ادبیات موضوع (تئوری، تاریخچه و مکانیزم‌های مؤثر)