24-08-2020, 09:03 PM
«پمپ گریز از مرکز» (Centrifugal Pump) دسته‌ای از توربو ماشینهای [url=https://blog.faradars.org/turbomachinery/][/url] انرژی دهنده است که در آن، انرژی از ماشین به سیال داده می‌شود. در واقع ابتدا کار توسط موتور به مجموعه وارد و سپس انرژی جنبشی پره‌ها به انرژی هیدرولیک سیال تبدیل می‌شود و در نهایت این انرژی، انتقال سیال از نقطه‌ای به نقطه دیگر را ممکن می‌سازد. پمپ گریز از مرکز شامل سه قسمت اصلی ایمپلر، غلاف حلزونی و دیفیوزر است.
سیال در یک پمپ گریز از مرکز، ابتدا به ایمپلر وارد می‌شود و در نتیجه شتاب آن افزایش می‌یابد و در نهایت به صورت شعاعی از ایمپلر خارج و به دیفیوزر و یا محفظه حلزونی وارد می‌شود. پمپ گریز از مرکز به صورت رایج در صنایع آب، نفت و پتروشیمی کاربرد دارد. مکانیزم معکوس این پمپ‌ها، توربین آب است که در آن انرژی پتانسیل آب به انرژی مکانیکی چرخشی توربین تبدیل می‌شود. این مطلب به صورت دقیق به بررسی پمپ‌های گریز از مرکز و انواع آنها می‌پردازد و در انتها روابط حاکم بر این نوع از توربوماشین‌ها مانند مومنتوم زاویه ای و مثلث سرعت در قالب یک مثال مورد بررسی قرار می‌گیرد.
پمپ گریز از مرکز چیست؟
یکی از رایج‌ترین انواع توربوماشین‌های جریان شعاعی، پمپ‌های گریز از مرکز هستند. این پمپ‌ها از دو بخش اصلی تشکیل می‌شوند. بخش اول «ایمپلر» (Impeller) نام دارد که به یک شفت چرخان متصل است. بخش دوم «پوشش» (Casing)، غشای ساکن یا «حلزونی» (Volute) نامیده می‌شود که این حلزونی ایمپلر را در بر می‌گیرد.
ایمپلر پمپ‌ها معمولا شامل تعدادی «پره» (Blade) است که با الگوی منظمی اطراف شفت قرار گرفته‌اند. به این پره‌ها «وِین» (Vane) نیز گفته می‌شود. شکل زیر بخش‌های مختلف یک پمپ گریز از مرکز را نشان می‌دهد.
![[تصویر: Centrifugal-Pump1.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Centrifugal-Pump1.jpg)
در یک پمپ گریز از مرکز، زمانی که ایمپلر شروع به حرکت می‌کند، سیال از ورودی پوشش که به «چشمی» (eye) نیز شهرت دارد، به داخل پمپ، جریان می‌یابد و بعد از دریافت انرژی به صورت شعاعی از ایمپلر خارج می‌شود.
همانطور که در مطلب توربوماشین نیز اشاره شد، پمپ‌ها به آن دسته از توربوماشین‌ها گفته می‌شود که در آنها انرژی از ماشین به سیال منتقل می‌شود. بنابراین پس از ورود سیال به پمپ، انرژی سیال افزایش می‌یابد و در نتیجه، فشار و سرعت مطلق سیال نیز افزایش پیدا می‌کند. توجه شود که پارامترهای مختلف مربوط پمپ‌ها را می‌توان با استفاده از آزمایش‌های تجربی یا تحلیل‌های عددی در علم دینامیک سیالات محاسباتی به دست آورد. در بخش بعد دسته‌بندی پمپ‌ها به صورت دقیق مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
دسته‌بندی پمپ‌ها از نظر ساختمان خروجی پمپ
در پمپ‌هایی که ساختار ساده‌ای دارند، سیال بعد از عبور از ایمپلر به صورت مستقیم وارد غلاف حلزونی شکل پمپ می‌شود. شکل این حلزونی طوری طراحی شده است که بتواند سرعت سیال را کاهش دهد. این کاهش سرعت و در نتیجه کاهش انرژی جنبشی سیال باعث افزایش فشار سیال می‌شود.
حلزونی پمپ‌های گریز از مرکز طوری طراحی شده‌اند که سطح مقطع آن در مسیر عبور سیال به تدریج افزایش پیدا می‌کند و این طراحی خاص باعث تولید یک سرعت یکنواخت در مسیر جریان سیال تا خروجی پمپ می‌شود. در شکل زیر یکی از مراحل نصب حلزونی پمپ و ابعاد آن در کابردهای صنعتی به تصویر کشیده شده است.
![[تصویر: Centrifugal-Pump-4.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Centrifugal-Pump-4.jpg)
در پمپ‌های گریز از مرکز بزرگ و در کاربردهای صنعتی، طراحی‌های متفاوتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در برخی از این پمپ‌ها سیال پس از عبور از ایمپلر به «دیفیوزر» (Diffuser) وارد می‌شود. وِین‌های دیفیوزر سرعت سیال در خروجی ایمپلر را کاهش می‌دهند و در نتیجه سیال با سرعت کمتری به غلاف پمپ وارد می‌شود. این نوع از پمپ‌های گریز از مرکز به «پمپ‌های دیفیوزر» (Diffuser Pump) مشهور هستند. شکل زیر هندسه دو نوع مختلف پمپ گریز از مرکز را با یکدیگر مقایسه کرده است. سیال در پمپ سمت چپ، بعد از خروج از ایمپلر به صورت مستقیم وارد حلزونی می‌شود ولی مسیر سیال در پمپ سمت راست به گونه‌ای است که بعد از خروج از ایمپلر ابتدا به دیفیوزر و سپس به حلزونی وارد می‌شود.
![[تصویر: Centrifugal-Pump-5.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Centrifugal-Pump-5.jpg)
دسته‌بندی پمپ‌ها از نظر تعداد مراحل افزایش فشار سیال
یکی دیگر از انواع دسته‌بندی پمپ‌ها، تقسیم‌بندی آنها از نظر تعداد مراحل افزایش فشار سیال است. بر این اساس می‌توان پمپ‌ها را به دو دسته «تک مرحله» (Single Stage) و یا «چند مرحله» (Multi Stage) تقسیم کرد. در پمپ‌های تک مرحله تنها یک ایمپلر روی شفت قرار گرفته، در حالی که در پمپ‌های چند مرحله چندین ایمپلر روی شفت موجود هستند.
مراحل مختلف در این پمپ‌ها مانند یک سری عمل می‌کنند به گونه‌ای که سیال خروجی از مرحله اول، به دهانه ورودی مرحله دوم پمپ وارد می‌شود و سیال خروجی از مرحله دوم، به مرحله سوم پمپ وارد می‌شود و این روند تا آخرین مرحله ادامه پیدا می‌کند.
نکته مهم در این پمپ‌ها این است که برای ساده‌سازی مسائل، جریان جرمی سیال در تمام مراحل یکسان در نظر گرفته می‌شود. نکته دیگر این است که هر مرحله یک افزایش فشار بر سیال اعمال می‌کند بنابراین با استفاده از پمپ‌های چند مرحله می‌توان مقدار زیادی افزایش فشار و یا افزایش هِد بر سیال اعمال کرد. شکل زیر نمایی از یک پمپ چند مرحله را نمایش می‌دهد.
![[تصویر: Centrifugal-Pump55.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Centrifugal-Pump55.jpg)
ایمپلر پمپ
همانطور که اشاره شد، ایمپلر پمپ‌ها معمولا شامل تعدادی «پره» (Blade) است که به صورت منظم اطراف شفت قرار گرفته‌اند. در ایمپلرها کار به سیال وارد می‌شود و انرژی جنبشی و هد سیال کاری افزایش پیدا می‌کند. ایمپلرها را می‌توان از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی کرد که برخی از آنها در ادامه مورد مطالعه قرار می‌گیرند.
دسته‌بندی ایمپلرها از نظر ساختار پوشش (غلاف) آن
این دسته‌بندی را می‌توان رایج‌ترین نوع دسته‌بندی ایمپلرها در نظر گرفت. بر این اساس، ایمپلرها به سه دسته مختلف تقسیم می‌شوند. در دسته اول، پره‌ها در یک صفحه به نام «هاب» (Hub) قرار گرفته‌اند و سمت دیگر آنها باز است. نمونه‌ای از این ایمپلرها در شکل زیر به تصویر کشیده شده است. به این نوع از ایمپلرها، «ایمپلرهای باز» (Open Impeller) گفته می‌شود. این ایمپلرها با توجه به باز بودن، معمولا ضعیف هستند ولی بسیار سریع باز و بسته می‌شوند و تعمیرات به راحتی روی آنها صورت می‌پذیرد.
![[تصویر: Centrifugal-Pump-7.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Centrifugal-Pump-7.jpg)
نوع دیگری از ایمپلرها نیز موجودند که پره‌ها در یک سمت به یک دیسک دایروی متصل و از سمت دیگر باز هستند. به این نوع از ایمپلرها، «ایمپلرهای نیمه باز» (Semi-Open Impeller) گفته می‌شود. در شکل زیر نمونه‌ای از این ایمپلرها به تصویر کشیده شده است.
![[تصویر: Centrifugal-Pump-2.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Centrifugal-Pump-2.jpg)
دسته سوم ایمپلرها به «ایمپلرهای بسته» (Enclosed Impeller) و یا «ایمپلرهای شراد دار» (Shrouded Impeller) معروف هستند. در این نوع از ایمپلرها، پره‌ها از یک سمت به هاب و از سمت دیگر به «شراد» (Shroud) متصل هستند. تصویر زیر نمونه‌ای از این ایمپلرها را نشان می‌دهد. این ایمپلرها معمولا در پمپ‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
![[تصویر: Centrifugal-Pump3.jpg]](https://blog.faradars.org/wp-content/uploads/2018/09/Centrifugal-Pump3.jpg)
دسته‌بندی ایمپلرها از نظر تعداد ورودی
سیال در یک پمپ گریز از مرکز، ابتدا به ایمپلر وارد می‌شود و در نتیجه شتاب آن افزایش می‌یابد و در نهایت به صورت شعاعی از ایمپلر خارج و به دیفیوزر و یا محفظه حلزونی وارد می‌شود. پمپ گریز از مرکز به صورت رایج در صنایع آب، نفت و پتروشیمی کاربرد دارد. مکانیزم معکوس این پمپ‌ها، توربین آب است که در آن انرژی پتانسیل آب به انرژی مکانیکی چرخشی توربین تبدیل می‌شود. این مطلب به صورت دقیق به بررسی پمپ‌های گریز از مرکز و انواع آنها می‌پردازد و در انتها روابط حاکم بر این نوع از توربوماشین‌ها مانند مومنتوم زاویه ای و مثلث سرعت در قالب یک مثال مورد بررسی قرار می‌گیرد.
پمپ گریز از مرکز چیست؟
یکی از رایج‌ترین انواع توربوماشین‌های جریان شعاعی، پمپ‌های گریز از مرکز هستند. این پمپ‌ها از دو بخش اصلی تشکیل می‌شوند. بخش اول «ایمپلر» (Impeller) نام دارد که به یک شفت چرخان متصل است. بخش دوم «پوشش» (Casing)، غشای ساکن یا «حلزونی» (Volute) نامیده می‌شود که این حلزونی ایمپلر را در بر می‌گیرد.
ایمپلر پمپ‌ها معمولا شامل تعدادی «پره» (Blade) است که با الگوی منظمی اطراف شفت قرار گرفته‌اند. به این پره‌ها «وِین» (Vane) نیز گفته می‌شود. شکل زیر بخش‌های مختلف یک پمپ گریز از مرکز را نشان می‌دهد.
در یک پمپ گریز از مرکز، زمانی که ایمپلر شروع به حرکت می‌کند، سیال از ورودی پوشش که به «چشمی» (eye) نیز شهرت دارد، به داخل پمپ، جریان می‌یابد و بعد از دریافت انرژی به صورت شعاعی از ایمپلر خارج می‌شود.
همانطور که در مطلب توربوماشین نیز اشاره شد، پمپ‌ها به آن دسته از توربوماشین‌ها گفته می‌شود که در آنها انرژی از ماشین به سیال منتقل می‌شود. بنابراین پس از ورود سیال به پمپ، انرژی سیال افزایش می‌یابد و در نتیجه، فشار و سرعت مطلق سیال نیز افزایش پیدا می‌کند. توجه شود که پارامترهای مختلف مربوط پمپ‌ها را می‌توان با استفاده از آزمایش‌های تجربی یا تحلیل‌های عددی در علم دینامیک سیالات محاسباتی به دست آورد. در بخش بعد دسته‌بندی پمپ‌ها به صورت دقیق مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
دسته‌بندی پمپ‌ها از نظر ساختمان خروجی پمپ
در پمپ‌هایی که ساختار ساده‌ای دارند، سیال بعد از عبور از ایمپلر به صورت مستقیم وارد غلاف حلزونی شکل پمپ می‌شود. شکل این حلزونی طوری طراحی شده است که بتواند سرعت سیال را کاهش دهد. این کاهش سرعت و در نتیجه کاهش انرژی جنبشی سیال باعث افزایش فشار سیال می‌شود.
حلزونی پمپ‌های گریز از مرکز طوری طراحی شده‌اند که سطح مقطع آن در مسیر عبور سیال به تدریج افزایش پیدا می‌کند و این طراحی خاص باعث تولید یک سرعت یکنواخت در مسیر جریان سیال تا خروجی پمپ می‌شود. در شکل زیر یکی از مراحل نصب حلزونی پمپ و ابعاد آن در کابردهای صنعتی به تصویر کشیده شده است.
در پمپ‌های گریز از مرکز بزرگ و در کاربردهای صنعتی، طراحی‌های متفاوتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در برخی از این پمپ‌ها سیال پس از عبور از ایمپلر به «دیفیوزر» (Diffuser) وارد می‌شود. وِین‌های دیفیوزر سرعت سیال در خروجی ایمپلر را کاهش می‌دهند و در نتیجه سیال با سرعت کمتری به غلاف پمپ وارد می‌شود. این نوع از پمپ‌های گریز از مرکز به «پمپ‌های دیفیوزر» (Diffuser Pump) مشهور هستند. شکل زیر هندسه دو نوع مختلف پمپ گریز از مرکز را با یکدیگر مقایسه کرده است. سیال در پمپ سمت چپ، بعد از خروج از ایمپلر به صورت مستقیم وارد حلزونی می‌شود ولی مسیر سیال در پمپ سمت راست به گونه‌ای است که بعد از خروج از ایمپلر ابتدا به دیفیوزر و سپس به حلزونی وارد می‌شود.
دسته‌بندی پمپ‌ها از نظر تعداد مراحل افزایش فشار سیال
یکی دیگر از انواع دسته‌بندی پمپ‌ها، تقسیم‌بندی آنها از نظر تعداد مراحل افزایش فشار سیال است. بر این اساس می‌توان پمپ‌ها را به دو دسته «تک مرحله» (Single Stage) و یا «چند مرحله» (Multi Stage) تقسیم کرد. در پمپ‌های تک مرحله تنها یک ایمپلر روی شفت قرار گرفته، در حالی که در پمپ‌های چند مرحله چندین ایمپلر روی شفت موجود هستند.
مراحل مختلف در این پمپ‌ها مانند یک سری عمل می‌کنند به گونه‌ای که سیال خروجی از مرحله اول، به دهانه ورودی مرحله دوم پمپ وارد می‌شود و سیال خروجی از مرحله دوم، به مرحله سوم پمپ وارد می‌شود و این روند تا آخرین مرحله ادامه پیدا می‌کند.
نکته مهم در این پمپ‌ها این است که برای ساده‌سازی مسائل، جریان جرمی سیال در تمام مراحل یکسان در نظر گرفته می‌شود. نکته دیگر این است که هر مرحله یک افزایش فشار بر سیال اعمال می‌کند بنابراین با استفاده از پمپ‌های چند مرحله می‌توان مقدار زیادی افزایش فشار و یا افزایش هِد بر سیال اعمال کرد. شکل زیر نمایی از یک پمپ چند مرحله را نمایش می‌دهد.
ایمپلر پمپ
همانطور که اشاره شد، ایمپلر پمپ‌ها معمولا شامل تعدادی «پره» (Blade) است که به صورت منظم اطراف شفت قرار گرفته‌اند. در ایمپلرها کار به سیال وارد می‌شود و انرژی جنبشی و هد سیال کاری افزایش پیدا می‌کند. ایمپلرها را می‌توان از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی کرد که برخی از آنها در ادامه مورد مطالعه قرار می‌گیرند.
دسته‌بندی ایمپلرها از نظر ساختار پوشش (غلاف) آن
این دسته‌بندی را می‌توان رایج‌ترین نوع دسته‌بندی ایمپلرها در نظر گرفت. بر این اساس، ایمپلرها به سه دسته مختلف تقسیم می‌شوند. در دسته اول، پره‌ها در یک صفحه به نام «هاب» (Hub) قرار گرفته‌اند و سمت دیگر آنها باز است. نمونه‌ای از این ایمپلرها در شکل زیر به تصویر کشیده شده است. به این نوع از ایمپلرها، «ایمپلرهای باز» (Open Impeller) گفته می‌شود. این ایمپلرها با توجه به باز بودن، معمولا ضعیف هستند ولی بسیار سریع باز و بسته می‌شوند و تعمیرات به راحتی روی آنها صورت می‌پذیرد.
نوع دیگری از ایمپلرها نیز موجودند که پره‌ها در یک سمت به یک دیسک دایروی متصل و از سمت دیگر باز هستند. به این نوع از ایمپلرها، «ایمپلرهای نیمه باز» (Semi-Open Impeller) گفته می‌شود. در شکل زیر نمونه‌ای از این ایمپلرها به تصویر کشیده شده است.
دسته سوم ایمپلرها به «ایمپلرهای بسته» (Enclosed Impeller) و یا «ایمپلرهای شراد دار» (Shrouded Impeller) معروف هستند. در این نوع از ایمپلرها، پره‌ها از یک سمت به هاب و از سمت دیگر به «شراد» (Shroud) متصل هستند. تصویر زیر نمونه‌ای از این ایمپلرها را نشان می‌دهد. این ایمپلرها معمولا در پمپ‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
دسته‌بندی ایمپلرها از نظر تعداد ورودی