۲-۱-۱- تاریخچه پمپ های پروانه ای

اولین پمپ سانتریفیوژ شناخته شده در تاریخ مهندسی در ۳۱ ژولای ۱۷۷۲ در یک معدن مس در سان دومینگوئز در پرتغال کشف شد. این پمپ، در قرن پنجم میلادی به کار گرفته می شد. پروانه آن، از جنس “چوب با پره های دو خمشه” است، و شکل پره هایش، نشان از خلاقیت بی مانند صنعتگران باستان در ۱۶ قرن پیش دارد.

ایده استفاده از نیروی گریز از مرکز به منظور بالا بردن سیالات، اولین بار توسط لئوناردو داوینچی (۱۵۱۹ – ۱۴۵۲) پیشنهاد شد و در اواسط قرن شانزدهم، یک پروانه پره دار برای تهویه معادن، مورد استفاده قرار گرفت. این پروانه، بر مبنای اصل گریز از مرکزه که توسط جورجیوس آلگریکولا در کتاب (۱۵۳۰) De re nectallica تشریح شده بود، عمل می کرد. مخترع شایسته پمپ سانتریفیوژ، فیزیکدان فرانسوی دنیس پایین است. او در کتاب Des cription et l’usage de la nouvell machin a’ elever l’eau (1687) ماشینی را توصیف نمود که مدلی از پمپ های سانتریفیوژ امروزی می باشد.

او اختراعش را دو سال بعد در Acta Enuditorum با نام “rotatihis sactor et pressor به ثبت رسانده روتور پمپ پایین، از دو پره شعاعی تخت که در یک محفظه سیلندر بسته می چرخید، تشکیل شده بود. سال، به مرکز روتور هدایت می شد و پس از عبور از پرمها، به یک لوله با قطر خیلی کوچک که در محیط محفظه قرار داشت، راتش می شد. پمیی که توسط پاپین تشریح گردید، یک مدل علمی کوچک بود، و اولین پمپ در سال ۱۷۰۵ توسط وی، برای پمپاژ آب ساخته شد، پروانه این پمپ، چند بره با محفظه حلزونی بود بعد از پایین، ریسل، کرنلین لا دمور و دانیل گابریل فارنهایت به یک سری پیشرفت های جزئی دست بافند، اما آنها نتوانستند بر نقیصه اساسی پمپ های سانتریفیوژ در آن روزها که عموما تفوذ هوا بود، غلبه نمایند.

یک مانع در راه گسترش پمپ های روتودینامیکی، محبوبیت پمپ های سیلندر – پیستونی در آن زمان بود . این محبوبیت، به خاطر همخوانی با تجهیزات تکنولوژی در آن روزها و همچنین عدم گسترش صنعت ماشین بود. پمپ های سانتریفوژ، تماما ماشین های با سرعت بالا هستند که به تطابق با محرک های تسمه و چرخ دنده نیاز دارند. فقط در قرن نوزدهم بود که با پیشرفت تکنولوژی چرخ دنده ها، این تطابق صورت گرفت.

در سال ۱۷۵۴ ریاضیدان مشهور لئونارد اولر (۱۷۰۷) با انتشار تئوری توربین های هیدرولیکی، پیشرفت عظیمی در گسترش توربین های هیدرولیکی در قرن نوزدهم ایجاد کرد، که البته تأثیر کمی بر پمپ های روتودینامیکی داشت.

پیشرفت پمپ های روتودینامیکی ندریجی بود. در سال ۱۷۸۵ جان اسکی پمپی با ساختار جدید اختراع کرد که مدلی از پمپ های ملخی بود.

در سال ۱۸۴۶، اولین پمپ سانتریفوژ سه طبقه توسط جانسون امریکایی ساخته شده و چند سال بعد، در سال ۱۸۴۹ جیمز استوارت جوین پمپ سانتریفوژ چند طبقه را ساخت و اولین تحلیل سیستماتیک این پمپ ها را ارایه نمود.

در همان زمان، جان جورج آپولد برای اولین بار از پره های انحنادار خمیده به عقب استفاده کرد، و بازده ۶۸% در پمپ هایی که طراحی اش در دبی بود، به دست آورد.

در حدود سال ۱۸۵۰ فیزیکدان و مهندس انگلیسی جیمز توماسون، ایده استفاده از پره های راهنما برای افزایش بازده در پمپ ها را به کار گرفت. در این دوره، توسعه پمپ های سانتریفیوژ مربوط به اسامی آندریو و وایتلاو بود.

تا اواسط قرن نوزدهم، پیشرفت در طراحی پمپ های سانتریفوژ، بر پایه اختراعات و پیشرفت های انفرادی محققان و طراحان بود، که سازندگان این پمپ ها نیز اطلاعات خود را مخفی نگاه می داشتند، توسعه صنعت پمپ های سانتریفوژ به شیوه مدرن، در اواخر قرن نوزدهم اتفاق افتاد. درخواست روز افزون برای انواع پمپ های سانتریفوژ، مانند کف کش، الجن کش و توسعه تجهیزات آبی، سبب شد که کارخانه داران بر پایه تولیداتشان، تحقیقات علمی و تجربی انجام دهند.

اولین تحقیقات سیستماتیک و علمی در خصوص پمپ ها رو تو دینامیکی، در سال ۱۸۹۰ توسط برادران سوئزر” در سویس انتشار یافت. این تحقیقات، سبب پیشرفت سریع در طراحی پمپ های سانتریفوژ شد، و در سال های بعد، در طراحی پمپ های مارپیچی، قطری و جریان محوری نیز پیشرفت هایی به دست آمد.

سرانجام به منظور کاهش نیروهای محوری، در سال ۱۸۹۴ در یک پمپ سه طبقه دیسک بالانس به خدمت گرفته شد.

فاکتور مهم و قطعی در پیشرفت محدوده کاربرد پمپ های سانتریفوژه پیشرفت موتورهای الکتریکی بود؛ و اتصال مستقیم پمپ به یک موتور الکتریکی سرعت بالا، دلیل منطقی برای توسعه کاربرد پمپ های سانتر بقوز و محدود شدن تدریجی پمپ های پیستولی در خیلی زمینه ها به شمار می رفت.

پمپ های پروانه ای

پمپهای پروانه ای ، پمپ هایی هستند که عضو حرکتی آنها یک روتور پره دار بوده و روی محور چرخنده سوار می باشد. وظیفه روتور، افزایش گشتاور اندازه حرکت سیالی است که از داخل پروانه عبور می نماید. در واقع با چرخش یک پروانه که پره هایش شکل مناسبی دارد، ذرات سیال در امتداد مسیرهایی، از سمت مکش به سمت دهش به حرکت در می آید.

جریان سیال داخل گذرگاه های پروانه سبب می شود که ذرات ، شتاب گرفته و در نتیجه، انرژی سینتیکی سیال افزایش یابد. این انرژی جنبشی، در حلزونی با دبقوز به فشار تبدیل می شود. یک دیفیوزر، یک سری گذرگاه های ثابت هستند که پروانه را احاطه کرده اند. مقطع عرضی دیفیوزر، طوری طراحی می شود که به طور پیوسته افزایش یابد. بر اساس معادله برنولی، با افزایش سطح مقطع، انرژی سینتیک به فشار تبدیل خواهد شد.

با توجه به شکل پروانه و فضای تخلیه، پمپ های پروانه ای به چهار گروه زیر طبقه بندی می شوند:

الف) پمپ های سانتریوز (شکل ۲ – ۶۳)، با جریان شعاعی، پروانه این پمپ ها از یک سری پره که بین دو دیسک قرار گرفته اند، تشکیل شده است. لبه های ورودی این برهما موازی با شیب داده شده و با محور پروانه و لبه های خروجی موازی می باشند.

ب) پمپ های مارپیچی یا حلزونی شکل B-63: هم جریان شعاعی و هم محور که خروجی پره ها نسبت به محور پروانه شیب داده شده و داخل یک حلزونی تخلیه می شوند.

ج) پمپ های قطری” (شکل C63): هم جریان شعاعی و هم محوری دارند. پروانه آنها پوشیده با باز می باشد و دارای چندین پره است که لبه های ورودی و خروجی آنها نسبت به محور پروانه شیب داده شده است. همچنین دارای یک رینگی راهنما می باشند که به عنوان قسمت جمع کننده محتله پمپ محسوب می شوند. پر های راهنما، به محفظه پمپ متصل شده اند. شکل پره های راهنما و نحوه فراگیری آنها، در راندمان پمپ تأثیر به سزایی دارند. این نوع پمپ، گاهی اوقات پمپ کاسه ای نیز نامیده می شود.

د) پمپ های جریان محوری (شکل D63): جریان در داخل پروانه، به صورت محوری بوده و دارای چندین پر، به شکل “ملخ” می باشند.

با توجه به هد کل، بمب ها ممکن است به گروه های زیر طبقه بندی شوند:

• الف) هد پایین، که هد کل  m20 >H می باشد.
• ب) هد متوسط که ۶۰ > H > 20 متر آب می باشد.
• ج) هد بالا، که ۶۰ < H متر آب می باشد.

گروه اول شامل تمام انواع پمپ های پروانه ای می باشد. گروه دوم، شامل پمپ های سانتریفوژ و بعضی از پمپ های مارپیچی و قطری، و گروه سوم، فقط شامل پمپ های سانتریفیوژ می باشد.

هر پروانه، با توجه به سرعت چرخش و دبی تخلیه اش، هل کل به خصوصی دارد. اگر هذ کل از این میزان تجاوز نماید، باید چندین پروانه به طور سری به یکدیگر متصل شده شکل ۶۴ و یا از یک پروانه با ابعاد دیگر استفاده گردد. در این حالت، فشار تولید شده توسط هر پمپ باید با یکدیگر جمع شود. به این پمپ ها، پمپ های چند طبقه می گویند.

اگر چندین پروانه به طور موازی به یکدیگر متصل شوند (شکل ۶۵)، آنگاه دبی تحلبه برابر با مجموع دبیهای تخلیه هر یک از پمپ ها خواهد شد. در مواقعی که دبی تخلیه بالا وهل کل کم باشد، پمپ های سانتریفیوژ که به صورت موازی به یکدیگر متصل شده اند، بر پمپهای قطری و جریان محوری ارجحیت دارند.