١

كاربرد مخزن انبساط در كنترل ضربه ي قوچ

عباس بيدگلي ، عليرضا اسماعيلي

)،دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي مهندسي مكانيك-،دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي مهندسي مكانيك(

)com.yahoo@457457457abbascom.yahoo@lirezaa.esmaieli , (

چكيده

به داليل مختلف مانند بستن ناگهاني شير در خطوط انتقال آب ،تغييرناگهاني سرعت وممنتوم را داريم كه باعث افزايش

يكي از راه هاي كنترل اين .مي گوييم) water hammer(فشار در خطوط مي شود ،كه به اين پديده ضربه ي قوچ

ما دراين مقاله با معرفي چگونگي عملكرد ، كاربرها ، .ن انبساط در خطوط لوله مي باشدافزايش فشار استفاده از مخز

، مسايلي كه در طراحي ونصب بايد لحاظ شوندو در انتها با معرفي انواع معادالت وچگونگي نوسانات سطح ارتفاع آب

. آب را بررسي كنيممخزن انبساط سعي مي كنيم چگونگي استفاده مخزن انبساط در خطوط لوله ي انتقال

"ايستگاه پمپاژ و توربين"-"افزايش ممنتوم"-"لوله ي تحت فشار"-"ضربه ي قوچ"-"مخزن انبساط":واژه هاي كليدي

مقدمه

مجبوريم شير هاي با توجه به اينكه اگر بخواهيم ايستگاه پمپاژ يا توربين برق آبي به داليل مختلف را ازمدار خارج كنيم

حركت نموده وتغيير تغييرناگهاني سرعت جريان بصورت موج در امتداد لوله به دليل بنديم كه اين امرورودي آب را ب

كه مي يا توربينچنانچه اين فشار تعديل نشود پمپ ممنتوم ناشي از آن باعث ايجاد فشار قابل مالحظه اي ميشود كه

به همين دليل بايد دستگاهي براي كنترل فشار در ماه از بين ميرود 10 سال كار نمايد در كمتر از 10بايست حداقل

.خطوط لوله ي انتقال آب در نظر گرفته شود

توربين كه با تغييرات ماليم و كمي از جريان سر و پمپ يا به هاي متصله حلهاي مورد استفاده در بستن شيريكي از را

ن نوع شيرها هنگام ايجاد اضافه بار و در نتيجه باز امااستفاده از اي.كار داريم استفاده از شيرهاي فشار شكن مي باشد

شدن ناگهاني شيرهاي متصل به توربين كمكي به كنترل ضربه ي قوچ ايجاد شده نخواهد كرد و عالوه بر اين استفاده از

. سبب هدر رفتن مقادير زيادي آب ميگردداين شيرها

يعني در تعيين ضخامت لوله وجنس لوله تا جايي كه توجيه البته مي توان اين تغييرات فشار را در هنگامي طراحي لوله

)3مانند سد كارون (.اقتصادي دارد ، ديده شود

٢

قابل ذكر . توربين،مخزن انبساط مي باشد پمپ يا در خط انتقال آب به در فشارهاي باالوسيله ي كنترل كننده فشاراما

آبي نمي باشد بلكه براي كنترل موثر تغييرات فشار ناشي از است كه استفاده از اين مخازن محدود به نيروگاه هاي برق

.قطع و وصل كار پمپ در خطوط پمپاژ طويل مي توان از آنها استفاده نمود

چگونگي عملكرد مخزن انبساط.1

طرز عمل اين مخازن انبساط به اين شكل است كه براي افزايش ورود آب به داخل توربين، سطح آب داخل مخزن

يا به عبارتي دبي آب ورودي به توربين را با . تا بتواند در خط لوله يك هد شتاب دهنده ايجاد كند كاهش ميابدانبساط

در عوض براي كاهش دادن جريان آب ورودي به توربين سطح آب داخل .شتاب دادن به جرم آب موجود افزايش دهد

ا استفاده از يك مخزن انبساط در نزديكي توربين و يا ب.مخزن انبساط براي ايجاد يك هد كاهنده ي جريان باال مي آيد

همينطور با كاهش ضربه . پمپ،فشارهاي ناشي از ضربه قوچ در خط لوله آنقدر كاهش ميابد تا به مقدار نا چيزي برسد

به ي ساخت و كاهش هزينه هار اقتصادي از لوله اي با مقاومت كمتر و ارزانتر استفاده كرد كه از نظمي تواني قوچ

و پس يك مخزن انبساط، يك لوله ي ايستاده و يا يك مخزن ذخيره ي آب است كه در انتهاي خط لوله.صرفه مي باشد

براي ممانعت از افزايش زايد فشار در هنگام كاهش ناگهاني بار و همينطور براي )penstock(قبل از لوله ي تحت فشار

زمان باال رفتن سرعت آب در خط تغذيه ، هنگامي كه اندن سريع مهيا نمودن آب بدون اتالف وقت براي منتظر م

.شيرهاي توربين يا پمپ باز ميباشند ، نصب ميگردد

كاربردهاي مخزن انبساط .2

ايجاد هد افزاينده و يا كاهنده ي شتاب جرم آب موجود در خط لوله هنگام باز يا بسته بودن شيرهاي توربين.1

كاهش اثرات ضربه ي قوچ.2

يك مخزن،كه آب موجود در آن توسط توربين در هنگام افزايش بار قبل از شتاب گرفتن آب موجود در خط ايجاد.3

.لوله استفاده ميگردد

٣

:نوسانات سطح آب در مخزن انبساط در طي باز و بسته كردن شير.3

به خاطر مقدار اينرسي )penstock(با بسته شدن ناگهاني شير متصل به توربين و يا پمپ، آب در لوله ي تحت فشار

كوچك آن در لحظه متوقف ميگردد و از طرفي در خط لوله ي اصلي،آب موجود با اينرسي نسبتا زياد به آرامي كاهش

.ميابد

اين تفاوت اينرسي جريان در خط لوله ي اصلي و لوله ي تحت فشار سبب باال رفتن سطح آب در مخزن انبساط مي

ط به اندازه اي باال مي رود تا سطح آب منبع اصلي آب و مخزن انبساط به يك ارتفاع سطح آب در مخزن انبسا. گردد

اين هم سطحي آب با نوسان حركت آب در مخزن انبساط به سوي مخزن اصلي و ) بر اساس اصل ظروف مرتبط(برسد

. مي باشدبالعكس صورت ميگيرد كه اين نوسان ، نوسان جرم آب موجود در خط لوله ي اصلي و مخزن انبساط

قبيل اصطكاك لوله و گلويي موجود در دهانه ي كف البته در غياب هر كدام از عوامل مستهلك كننده ي نوسان از

استهالكي عاملي براي به تعادل رسيدن سطح آب درون دو مخزن انبساط كه جهت افزايش استهالك ساخته ميشود،

ين فرض صورت پذيرفته است كه خطوط لوله و مخزن انبساط صلب البته تمامي اين مباحث با ا.مخزن ذكر شده ميگردد

.بوده و آب نيز تراكم ناپذير است

پس تا اينجا فهميديم كه با بستن آرام شير و يا بسته شدن ناگهاني آن چه اتفاقاتي در مخزن انبساط صورت

شير نيز نوسان جرمي آب صورت هنگام باز نمودن .)منظور نوسانات ميراي سطح آب در دو مخزن ميباشد(ميگيرد

اين نوسانات جرمي در زماني كه .ميگيرد اما با اين تفاوت كه اولين حركت در مخزن انبساط خروج آب از مخزن ميباشد

ميدانيم كه نوسانات جرمي در مقابل .شير باز ميشود براي اثر گذاشتن و منتفي كردن نوسانات ضربه ي قوچ مي باشد

.كه اين دو پديده از يكديگر جدا ميباشند. وچ بسيار آرام مي باشدنوسانات سريع ضربه ي ق

روش يافتن معادالت مربوط ارتفاع آب درون مخزن انبساط بدون در نظر گرفتن افت هاي .4

):معادالت مقدماتي پارماكيان(هيدروليكي

�

w.s .يريمتأسيسات ساده اي را مطابق شكل ذيل را داراي يك مخزن تعادل است رادر نظرمي گ

S+ سطح استاتيك

F(sq ft)

Ft)(H0 D(ft)

Q0(cub ft/s) L(ft)

مقدار و زمان افزايش حجم آب در . شير كنترل به طور آني قطع مي گردددر اين تاسيسات ، جريان اصلي توسط

براي ساده كردن مساله، از افت هاي هيدروليكي و ارتفاع سرعت در لوله صرف نظر مي . مخزن تعادل مورد نظر است

ريه ي ستون آب صلب با صرف نظر از اتساع جدار لوله و قابليت تراكم آب در نتيجه ازدياد فشار ، ميتوان از نظ. شود

مي توان ) و يا ازدياد حجم(زيرا اتساع جدار لوله و همچنين از متراكم شدن ماده آب در اثر ازدياد فشار . استفاده نمود

حركت مي كند عبارتست از ) penstock(قبل از بستن شير ، مقدارآبي كه در لوله ي تحت فشار . صرف نظر نمود

L.A.W/gي متعادلي كه به اين ستون آبي وارد مي شود عبارتست ازكه به محض بستن شير نيروw.a.s كه از قانون

:دوم نيوتن كندي سرعت آب در لوله ي تحت فشار برابر است با

(1)

ادل برابرمقدار آب خروجي با توجه به شرايط پيوستگي جريان ، بعد از بستن كامل شير مقدار آب ورودي به مخزن تع

:از لوله ي تحت فشار مي باشد يعني

F =AV1 (2)

: با توجه به شرايط حدي ذكر شده در ذيل

,S=0,t=0

:داريم ) 2(و)1(وحل همزمان معادالت

Penstock

3

S= (3)

: و در نهايت داريم

Smax= (4)

:وزمان الزم براي رسيدن به حداكثر ارتفاع فشار اضافي برابر است با

T= (5)

F :سطح مقطع مخزن انبساط

L : طول خطلوله بين مخزن ذخيره مخزن انبساط بر حسب فوت

g :شتاب ثقل بر حسب فوت بر مجذور ثانيه

A :سطح مقطع لوله برحسب فوت مربع

توان به ميهمچنين براي بدست آوردن ارتفاع سطح آب در مخزن انبساط با در نظر گرفتن افت هاي هيدروليكي

آورده شده است ، Jan Parmakian تأليف hammer analysis water در كتاب پيشرفته ي پارماكيان كه معادالت

. مراجعه نمود

:مسايلي كه در طراحي و نصب مخازن انبساط بايد لحاظ گردد.5

:براي طراحي و نصب مخازن انبساط بايد معيارهاي ذيل مد نظر قرار گيرد

رار گيرد كه تغييرات فشار ناشي از ضربه ي قوچ ايجاد شده تا حد مجازي كه ميتوان مخزن انبساط بايد جايي ق.1

معموال با توجه به شرط ذكر شده مخزن انبساط در محل اتصال لوله ي اصلي و لوله ي تحت . پذيرفت نگه داشته شود

. قرار ميگيرد)penstock(فشار

.مخزن بايد پايستار و محكم باشد.2

9

زن بايد ماكزيمم مقدار ممكن ذخيره ي آب را داشته باشد يعني ظرفيت بااليي داشته باشد مگر اينكه از نظر ابعاد مخ.3

البته ارتفاع محل استقرار مخزن تعادل بايد به اندازه ي كافي بلند باشد تا از . ريز در نظر گرفته شده باشدبراي آن سر

.ل نشد بايد از سرريز استفاده نمود آب جلوگيري شود و چنانچه اين ارتفاع حاص)(spillwayسرريز

پس كف مخزن بايد . به هيچ عنوان هوا در آخرين مراحل تخليه آب از مخزن انبساط نبايد به داخل لوله كشيده شود.4

.به اندازه ي كافي پايين نگه داشته شود تا هوا نتواند وارد لوله ي تحت فشار و يا لوله ي رانش پمپ يا توربين نگردد

يروگاه آبي كه خروجي توربين بوسيله ي دستگاه كنترل ميگردد، مخزن تعادل ميبايست داراي فضاي كافي باشد يك ندر.5

در حالتي كه حجم مخزن تعادل بسيار كوچك باشد، تغيير بار در توربين باعث نوسانات دايم .تا از ناپايداري جلوگيري كند

ايد اضافه كرد كه حجم يك مخزن تعادل در نيروگاه بايد به ب. سطح آب در آن شده كه احتماال تشديد نيز خواهد شد

در غير اين صورت تنظيم سرعت . امواج در حين تغييرات معمولي بار در توربين كاسته شوداشد كه از شدت حدي ب

ربين مشكل يا غير ممكن خواهد بودتو

:معرفي انواع مخازن انبساط.6

. نمايش داده شده اند كه به تفصيل در مورد آنها صحبت خواهيم كردنمونه هاي معمول مخازن انبساط در شكل ذيل

اين نوع مخازن يك مخزن آزاد با سطح مقطع ثابت ميباشد كه براي طراحي آنها و :)simple tank(مخزن ساده.1

.ب در اين مخازن در نظر گرفته شودمحاسبه ظرفيت آن بايد ماكزيمم تغييرات سطح آ

Simple tank) (

كه به ظرفيت اضافي براي مخازن نياز باشد، مخازن هنگامي :)variable_area tank(يريمخزنهاي با سطح مقطع متغ.2

از توربينركه اين تغيير سطح مقطع براي خروج با. با سطح مقطع متغيير براي تامين اين اضافه ظرفيت استفاده ميشود

:اين نوع از مخازن دو نوع ميباشند. الي مخزن و براي اعمال بار در كف مخزن ايجاد ميشونددر با

a-مخازن مخروطي كه با قطرهاي زياد در باال يا پايين مخزن ساخته ميشوند.

٧

b-ك ناحيه به شكل افزايش قطر به صورت مخازن معروف به مخازن بسط يافته ميباشند كه سطح مقطع آنها در ي

.مقطعي يا دايم تغيير مي كند

ارتفاع كه سبب كاهش مقداريك اوريفيس در كف مخزن قرار دارددر اين مخازن :)throttled tank(مخازن گلودار.3

.نوسان جرم ميشودوكاهش سريع اثرات مخزن آب

سبب شده است كه مخزن ارتفاع آب استفاده از اين نوع مخازن در مقايسه با مخازن ساده به دليل كاهش مقدار

به دليل وجود افت ناشي از ايجاد گلويي مخزنشايان ذكر است كه كاهش مقدار. استفاده از اين نوع مخازن بيشتر باشد

گلويي ايجاد شده براي كنترل تغييرات زياد بار درخواستي بسيار موثر . ط ميباشددر محل اتصال خط اصلي و مخزن انبسا

.ميباشد

س ميباشد و يا به صورت لوله اي است كه قطر آن به تدريج كاهش ساده ترين شكل گلويي به صورت صفحه ي اوريفي

.يافته و شكل نازل مانند ايجاد مي كند

ش ميابد مخزن با تخليه آب زيادي روبرو ميشود و گلوگاه اين مخازن تحت هنگامي كه بار درخواستي سيستم افزاي

فشار زيادي قرار ميگيرد و امكان شكستن گلوگاه وجود دارد به همين دليل مخزن در قسمت پايين كه داراي گلوگاه

.ميباشد به صورت مربعي ساخته ميشود در صورتي كه باالي آن داراي سطح مقطع دايره اي ميباشد

٨

عملكرد اين مخازن هنگام . آمريكا متداول است استفاده از اين نوع مخازن در): differential tank(مخازن ديفرانسيلي.4

اين )riser(توقف جريان ورودي به توربين به اين شكل است كه آب داخل خط لوله ي اصلي در ابتدا از لوله ي باال برنده

ه است كه آب ل لوله مي گردد و بعد از اين مرحلمخازن باال رفته و باعث افزايش سريع هد جهت كاهش جريان داخ

.وارد مخزن بيروني گشته كه اين مخزن به عنوان ظرفيتي براي نگه داري آب ميباشد

مقابل تغيير، واكنش ولين جايي كه در ، ا يا پمپاما در هنگام باز شدن شير يعني زمان افزايش بار درخواستي از توربين

ميباشد و ارتفاع آب در آن به سرعت كاهش ميابد اين تغييرات سريع اختالف هد ) riser(نشان ميدهد لوله ي باال برنده

.بين قسمت باال دست و پايين دست جريان در دو سر خط لوله باعث مي گردد كه آب داخل لوله شتاب گيرد

وله ي اصلي در حال شتاب گرفتن است جريان آب اضافي مورد نياز توربين بوسيله ي آب هنگامي كه آب داخل ل

.خروجي از منبع بيروني تامين ميگردد

تن آب حجم و ظرفيت اين مخازن به اندازه اي نمي باشد كه تمام حجم باال رف):spilling tank(سرريزدارمخازن .5

دن شير را تامين كند به همين دليل مقدار زيادي از آب از باالي مخزن سرريز كرده و باعث هدر رفتن هنگام بسته ش

.آن مي شود

Spilling tank) (

. آن كاهش ميابددر اين مخازن تغيير سطح آب به دليل وجود مخزن هوا در باالي):closed tank(مخازن بسته.6

٩

مي گردد كه استفاده همزمان هاي جديد از چند مخزن انبساط در بعضي نيروگاه ):multiple tank(مخازن چند تايي.7

. مي باشد pipingنحوه ي چيدمان مخازن وابسته به روشهاي

Multiple tank) (

:نتيجه گيري.7

با توجه به مطالبي كه ارائه گرديد مي توان نسبت به كارآيي مورد نظر كه از هر يك از مخزن هاي انبساط گفته شد و

هر كدام از آنها را كه مورد نياز براي كنترل افزايش فشار ناشي از ضربه ي قوچ كه ممكن است در ويژگي هاي آنها

يا توربين خسارت به بار بياورند ،انتخاب كرد و نصب آن را در طراحي و برآورد اوليه ي خطوط لوله يا ايستگاه پمپاژ

.اقتصادي طرح مد نظر قرار داد

١٠

:منابع

1.“HANDBOOK OF APPLIED HYDRAULICS” , written by’ CALVIN VICTOR DAVIS’ ,

copyright©1969 by Mc- GROWHILL , copyright renewed 1980 by ‘DAVIS’.

صادق هاشمي مهندس ، ارائه شده توسط "بررسي علل استفاده از مخزن انبساط در فاز دوم نيروگاه مسجد سليمان".2 و

.دكتر مهرزاد شمس

3.”WATERHAMMER ANALYSIS” , written by ‘JOHN PARMAKIAN’ ,copyright©1963 by New

York;Dover pub.

، ارائه شده در دهمين "وربين در شرايط اضطراري نيروگاه هاي آبييش سرعت تبررسي ضربه ي قوچ وافز".4

.... كنفرانس مهندسي مكانيك ، نوشته ي دكتر سيد مجتبي موسوي نايينيان و

5.http://www.codecogs.com/reference/engineering/fluid_mechanics/surge/surge_tanks.

6.http://controls.engin.umich.edu/wiki/index.php/Surge_Tank_Model.

7.http://screwdriver.staplefish.com/tag/surge-tank/.

8.www.hytran.net.

9.www.kypipe.com

10.www.bentley.com