فهرست مطالب....... زفهرست اشکال...... طفهرست جداول........ كچکیده:....... 1فصل اول...... 2معرفی تحقیق........ 21-1- هدف از طرح مورد نظر و ضرورت انجام آن........ 41-1-1- اهداف اصلی......... 41-1-2- اهداف فرعی........ 51-2- فرضیه اصلی......... 51-3- برنامه تحقيق........... 51-4- ساختار این گزارش................................................ 6فصل دوم................................................................ 8پمپ ضربهقوچی........................................................... 82-1- پدیده ضربه‌قوچ در سیستمهای خطوط انتقال آب........................ 92-1-1- تاریخچه مطالعات و تحقیقات در زمینه ضربه‌قوچ.................. 92-1-2- تعریف اصطلاحات.............................................. 112-1-3- نظریه‌های مربوط به ضربه‌قوچ.................................. 112-1-3-1- نظریه رفتار صلب ستون آب........................................... 112-1-3-2- نظریه رفتار کشسانی................................................ 132-1-4- ضربه‌قوچ در باز و بستن سریع شیر............................. 142-1-5- استفاده از انرژی حاصل از ضربه‌قوچ........................... 162-2- نرم‌افزارهای موجود در زمینه تحلیل ضربه‌قوچ....................... 162-3- پمپ ضربهقوچی................................................... 182-4- تاریخچه پمپ ضربه قوچی.......................................... 192-5- مکانیزم پمپ ضربهقوچی........................................... 192-5-1- بدنه پمپ (Pump Body)........................................ 242-5-2- شیر قطع و وصل (Impulse Valve)................................. 242-5-3- شیر یکطرفه (Delivery Valve).................................... 272-5-4-محفظه هوا (Air Vessel or Air Chamber)............................... 282-5-6- شیر ورود هوا (Snifter Valve)................................... 292-6- راه‌اندازی پمپ ضربهقوچی......................................... 292-7- طراحی پمپ ضربهقوچی............................................. 31فصل سوم............................................................... 33مواد و روش تحقیق...................................................... 333-1- مدلسازی و طراحی پمپ ضربهقوچی با استفاده از نرمافزار HAMMER V8i. 343-1-1- اجزای مورد استفاده در مدل.................................. 343-1-2- وارد کردن اطلاعات اولیه در نرم افزار........................ 373-1-3- مدلسازی نمونهای از پمپ ضربهقوچی............................ 433-1-4- نرمافزار تهیه شده جهت مدلسازی پمپ ضربهقوچی................. 463-2- طراحی پمپ ضربهقوچی در مجتمع آبرسانی استان اردبیل (مطالعه موردی تحقیق) 483-2-1- مشخصات کلی روستاهای طرح.................................... 483-2-2- مقایسه پمپاژ به روش متعارف و روش ضربهقوچی.................. 503-2-3- طراحی خط پمپاژ به روستای گاودول............................ 523-2-3-1- طراحی خط پمپاژ متعارف............................................. 523-2-3-2- طراحی خط پمپاژ ضربهقوچی........................................... 53فصل چهارم............................................................. 55نتایج تحقیق و تحلیل آن................................................ 554-1- مقدمه.......................................................... 564-2- نتایج نمونه پمپ مدل شده (بخش 3-1-3)............................. 564-3- نتایج مدلسازی برای روستای گاودول (اردبیل)...................... 624-4- مقایسه اقتصادی پمپاژ ضربهقوچی و پمپاژ متعارف................... 774-5- تأثیر حجم تانک هوا بر روی حجم آب پمپاژ شده..................... 784-6- محاسبه نسبت دبی پمپ شده به دبی خط اصلی......................... 794-7- ملاحظات طراحی پمپ ضربهقوچی...................................... 79فصل پنجم.............................................................. 81نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات........................................... 815-1- نتیجه‌گیری کلی.................................................. 825-2- ارائه پیشنهادات................................................ 82پیوست 1................................................................ 83برنامه تعیین حجم پمپاژ در طراحی پمپ ضربهقوچی به زبان فرترن............ 84پیوست 2................................................................ 86نمودارهای تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای قطرهای مختلف (پمپاژ گاودول)87Abstract................................................................. 94 فهرست اشکالشکل 2‑1- معرفی توابع F و f در باز و بستن ناگهانی شیر (پارماکیان, 1955)16شکل 2‑2- نمایی از صفحه مربوط به نرمافزار HAMMER(HAMMER-Guide, 2012)18شکل 2‑3- اجزای تشکیل دهنده پمپ ضربهقوچی (Alaban, 2007)20شکل 2‑4- نمونهای از تولید پمپ ضربهقوچی و اجزای آن (Browne, 2009)21شکل 2‑5- تصاویری از انواع مختلف پمپ ضربهقوچی تولید شده (Browne, 2009)22شکل 2‑6- نحوه انتقال آب بوسیله پمپ ضربهقوچی (Alaban, 2007)23شکل 2‑7- بخشی از اجزای تشکیل دهنده بدنه پمپ (Browne, 2009)24شکل 2‑8- شیر قطع و وصل و اجزای تشکیل‌دهنده آن (Browne, 2009)25شکل 2‑9- مراحل چهارگانه باز و بسته شدن شیر قطع و وصل (Warwichshire, 2005)26شکل 2‑10- اجزای تشکیل‌دهنده شیر یکطرفه (Browne, 2009)27شکل 2‑11- محفظه هوا (Browne, 2009)28شکل 2‑12- شیر ورود هوا (Browne, 2009)29شکل 2‑13- مراحل راه‌اندازی پمپ ضربهقوچی (Browne, 2009)30شکل 2‑14- نمونهای از جداول طراحی و انتخاب پمپ ضربهقوچی (Lightman, et al., 2010)32شکل 3‑1- طرح شماتیک پمپ ضربهقوچی35شکل 3‑2- نحوه چیدمان عناصر مورد استفاده در HAMMER V8iبرای مدلسازی پمپ ضربهقوچی37شکل 3‑3- نمونهای از الگوی بسته شدن شیر در HAMMER V8iبرای مدلسازی پمپ ضربه قوچی40شکل 3‑4- مشخصات مورد نیاز در نوار ابزار Wave Speed Calculator برای تعیین سرعت موج42شکل 3‑5-مشخصات مایع درون لوله جهت محاسبه سرعت موج در در نرمافزار HAMMER V8i42شکل 3‑6-مشخصات خط لوله جهت محاسبه سرعت موج در در نرمافزار HAMMER V8i43شکل 3‑7- نمونهای از تغییرات فشار در خط پمپاژ بعد از ایجاد ضربه با استفاده از HAMMER V8i46شکل 3‑8- الگوریتم مورد استفاده در تعیین حجم پمپاژ ناشی از هر بار بسته شدن ناگهانی شیر47شکل 3‑9- پلان کلی منطقه طرح و خطوط انتقال49شکل 3‑10- پلان طرح پمپاژ به روستای گاودول (روش متعارف)50شکل 3‑11- پلان طرح پمپاژ به روستای گاودول (روش پمپ ضربهقوچی)51شکل 3‑12- پروفیل خط انتقال از مخزن ایلوانق تا مخزن آناویز به طول 5600 متر52شکل 3‑13- پروفیل خط انتقال از مخزن آناویز تا مخزن گاودول به طول 4600 متر52شکل 4‑1- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 15 میلیمتر)57شکل 4‑2- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 20 میلیمتر)58شکل 4‑3- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 25 میلیمتر)59شکل 4‑4- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 32 میلیمتر)60شکل 4‑5- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 40 میلیمتر)61شکل 4‑6- نمودار تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای حالت بهینه پمپاژ (قطر خط 32 میلیمتر – حجم هوای 5 لیتر)61شکل 4‑7- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 15 میلیمتر)- اردبیل62شکل 4‑8- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 20 میلیمتر) - اردبیل63شکل 4‑9- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 25 میلیمتر) - اردبیل64شکل 4‑10- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 32 میلیمتر) - اردبیل65شکل 4‑11- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 40 میلیمتر) - اردبیل66شکل 4‑12- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 50 میلیمتر) - اردبیل67شکل 4‑13- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 65 میلیمتر) - اردبیل68شکل 4‑14- نمودار تغییرات حجم آب پمپاژ شده در مقابل حجم هواهای مختلف محفظه هوا (قطر 80 میلیمتر) - اردبیل69شکل 4‑15- نمودار فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای قطر 100 میلیمتر70شکل 4‑16- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 80 میلیمتر در حجم هواهای مختلف72شکل 4‑17- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 65 میلیمتر در حجم هواهای مختلف72شکل 4‑18- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 50 میلیمتر در حجم هواهای مختلف73شکل 4‑19- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 40 میلیمتر در حجم هواهای مختلف73شکل 4‑20- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 32 میلیمتر در حجم هواهای مختلف74شکل 4‑21- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 25 میلیمتر در حجم هواهای مختلف74شکل 4‑22- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 20 میلیمتر در حجم هواهای مختلف75شکل 4‑23- نمودار حجم آب پمپاژ شده برای قطر 15 میلیمتر در حجم هواهای مختلف75شکل 4‑24- نمودار تغییرات فشار ناشی از ضربه‌قوچ برای حجم هواهای مختلف (قطر بهینه 80 میلیمتر)79شکل 7‑1- نمودار تغییرات فشار برای قطر 15 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)87شکل 7‑2- نمودار تغییرات فشار برای قطر 20 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)87شکل 7‑3- نمودار تغییرات فشار برای قطر 25 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)88شکل 7‑4- نمودار تغییرات فشار برای قطر 32 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)88شکل 7‑5- نمودار تغییرات فشار برای قطر 40 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)89شکل 7‑6- نمودار تغییرات فشار برای قطر 50 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)89شکل 7‑7- نمودار تغییرات فشار برای قطر 65 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)90شکل 7‑8- نمودار تغییرات فشار برای قطر 80 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)90شکل 7‑9- نمودار تغییرات فشار برای قطر 100 میلیمتر (در حجم بهینه هوا)91جدول 3‑1- پارامترهای مورد نیاز ورودی مخزن تغذیه (Drive Tank) در نرمافزار HAMMER V8i38جدول 3‑2- پارامترهای مورد نیاز ورودی سرج تانک (Surge Tank) در نرمافزار HAMMER V8i39جدول 3‑3- پارامترهای مورد نیاز ورودی محفظه هوا (Air Chamber) در نرمافزار HAMMER V8i39جدول 3‑4- پارامترهای مورد نیاز ورودی شیر قطع و وصل (Butterfly Valve) در نرمافزار HAMMER V8i40جدول 3‑5- پارامترهای مورد نیاز ورودی گره (Junction) در نرمافزار HAMMER V8i41جدول 3‑6- پارامترهای مورد نیاز ورودی لوله (Pipe) در نرمافزار HAMMER V8i41جدول 3‑7- مشخصات لوله اصلی انتقال آب (لوله P1)43جدول 3‑8- مقادیر پارامترهای مورد نیاز طرح44جدول 3‑9- قطرهای قابل استفاده جهت خط پمپاژ آب (لوله P2در شکل 3-1)45جدول 3‑10- مشخصات لوله اصلی انتقال آب53جدول 3‑11- مشخصات قطرهای مورد استفاده جهت خط پمپاژ آب54جدول 4‑1- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 15 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف56جدول 4‑2- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 20 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف57جدول 4‑3- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 25 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف58جدول 4‑4- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 32 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف59جدول 4‑5- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 40 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف60جدول 4‑6- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 15 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل62جدول 4‑7- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 20 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل63جدول 4‑8- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 25 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل64جدول 4‑9- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 32 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل65جدول 4‑10- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 40 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل66جدول 4‑11- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 50 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل67جدول 4‑12- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 65 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل68جدول 4‑13- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 80 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل69جدول 4‑14- حجم پمپاژ محاسبه شده برای خط پمپاژ 100 میلیمتر به ازای حجم هواهای مختلف – اردبیل70 چکیده:در این مطالعه، مدلسازی پمپ ضربهقوچی توسط نرم‌افزاری که تهیه گردیده انجام شده است. این نرمافزار خروجی‌های نرمافزارHAMMERرا 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 ضربه قوچی، نرمافزار HAMMER ، آبرسانی روستایی، مدلسازی هیدرولیکی معرفی تحقیق 1- معرفی تحقیقپمپها (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):v پمپهای دینامیکی[2]v پمپهای جابجایی مثبت[3]v پمپهای ویژه[4]پمپهاي ديناميكي پمپهايي هستند كه انرژي جنبشي آب را افزايش مي‌دهند. در اين نوع پمپها انتقال انرژي از پمپ به سيال به صورت پيوسته انجام مي‌گيرد و مقدار سيال عبوري از واحد زمان (آبدهي) و فشار خروجي سيال از پمپ به هم وابسته مي‌باشند. اين دسته از پمپها شامل زيرمجموعه كاملاً متنوعي بوده كه پمپهاي چرخي[5] از مهمترين آنهاست كه خود بر اساس مسير حركت سيال در چرخ به سه دسته پمپهاي شعاعي[6] (براي ايجاد فشار بالا و آبدهي بالنسبه كمتر)، پمپهاي محوري[7] (براي ايجاد آبدهي بالا و فشار كمتر) و پمپهاي مختلط[8] (براي ايجاد فشار و آبدهي متوسط) تقسيم مي‌شوند (نوربخش, 1385).در پمپهاي جابجايي مثبت، انتقال انرژي به سيال به صورت متناوب صورت مي‌گيرد. اين پمپها خود به انواع مختلفي تقسيم مي‌شوند كه از مهمترين آنها پمپهاي رفت و برگشتي (پیستونی)[9]، گردشي[10] و لوله‌اي[11] را مي‌توان نام برد. اين نوع پمپها معمولاً براي دبي‌ها و لزجت‌هاي نامتعارف مورد استفاده قرار مي‌گيرند و اغلب كاربرد صنعتي دارند (نوربخش, 1385).ساير پمپها كه مكانيزمي متفاوت از دو رده پمپ ذكر شده دارند در رده پمپهاي ويژه قرار مي‌گيرند. از اين نوع پمپها مي‌توان به پمپهاي هوا[12] ، پمپهاي اجكتور[13] و همچنين پمپهاي قوچآبي (ضربه قوچي)[14] اشاره كرد. در اين پمپها نحوه انتقال انرژي به سيال براي انجام حركت خاصي اندکی متفاوت از دو نوع اول مي‌باشد. ليكن باز هم به گونه‌اي مي‌توان آنها را در دو دسته اول نيز 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 آنبا توجه به هزينه بالاي تأمين انرژي متعارف (شامل انرژي الكتريكي يا انرژي فسيلي) در استفاده از پمپهاي رايج در صنعت آب، استفاده از پمپهايي كه داراي مكانيزم ساده‌تر و مصرف انرژي كمتري باشند مي‌تواند از جذابيت مناسبي برخوردار باشد. پمپهاي قوچآبي (ضربهقوچی) فقط با استفاده از انرژي هيدروليكي ناشي از جريان ناپايدار[16] در خطوط لوله، عمل پمپاژ آب را انجام مي‌دهند و نيازي به استفاده از انرژي‌هاي الكتريكي يا فسيلي ندارند. همچنين در برخي از مناطق روستايي بعلت شرايط توپوگرافي ويژه تأمين آب روستاهاي هم‌جوار از طريق يك ايستگاه پمپاژ (مجتمعهاي آبرساني) با سختي و هزينه زياد انجام ميشود. استفاده از پمپهاي ضربه‌قوچي مي‌تواند به عنوان يكي از گزينه‌هاي حل مشكلات فوق مطرح گردد. 1-1-1- اهداف اصلیهدف اصلی از انجام اين پايان‌نامه، امكان‌سنجي اجراي چنين ايستگاههاي پمپاژي در سيستم‌هاي آبرساني، بويژه در مناطق روستايي مي‌باشد. 1-1-2- اهداف فرعیاز جمله اهداف دیگر پروژه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:ü تهیه برنامه نرم‌افزاری برای تسهیل و بهینه کردن طراحی ایستگاه‌های پمپاژ ضربهقوچیü تعیین محدوده‌های فنی و اقتصادی استفاده از این نوع پمپاژü حفاظت خط اصلی انتقال آب در برابر فشارهای ناشی از ضربه‌قوچ (علاوه بر عمل پمپاژ آب) 1-2- فرضیه اصلیفرض اصلی تحقیق عبارت است از اینکه در صورت استفاده از پمپهاي ضربه‌قوچي (قوچآبي) در روستاهايي كه امكان اجراي اين پروژه وجود دارد، مي‌توان بدون استفاده از انرژي گران‌قيمت الكتريكي يا فسيلي عمل انتقال آب را با راندمان بالا و نسبت سود به هزینه قابل قبول به روستاهاي مذكور انجام داد. در اين پروژه با مقايسه فني و اقتصادي اجراي يك طرح در دو حالت ايستگاههاي پمپاژ متعارف و يا استفاده از پمپهاي قوچآبي در جهت اثبات فرضيه فوق اقدام مي‌گردد. 1-3- برنامه تحقيقبه منظور بررسي استفاده از پمپهای ضربهقوچی در سیستمهای آبرسانی روستایی مراحل تحقيق زير در نظر گرفته شده است: 1-4- ساختار این گزارشاین گزارش مشتمل بر 5 فصل ذیل می‌باشد: ü فصل اول :کلیات، اهداف و ضرورت انجام تحقیقü فصل دوم:پمپ ضربهقوچیü فصل سوم:مواد و روش تحقیقü فصل چهارم:نتایج تحقیق و تحلیل نتایجفصل پنجم:نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادات