پمپ‌های با جابه‌جایی مثبت

پمپ‌های با جابه‌جایی مثبت:

پمپ‌های با جابه‌جایی مثبت از نظر ساختار به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:

• پمپ‌های دنده‌ای
• پمپ‌های پره‌ای
• پمپ‌های پیستونی

پمپ پیستونی

پمپ‌های با جابه‌جایی مثبت از نظر میزان دبی به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند :

• پمپ‌های با جابه‌جایی ثابت
• پمپ‌های با جابه‌جایی متغیر

پمپ‌ها با جابه‌جایی ثابت

پمپ‌های با جابه‌جایی متغیر

انواع پمپ‌های هیدرولیک جابه‌جایی مثبت عبارت‌ است:

• پمپ‌های پیستونی:

پمپ‌های پیستونی (piston pumps) از نوع پمپ‌های جابه‌جایی (displacement pumps) و رفت‌و‌برگشتی هستند. پمپ‌های پیستونی در طرح‌ها و اندازه‌های مختلف ساخته شده و دارای کاربردهای فراوانی هستند. برحسب نیاز می‌توان این پمپ‌ها را به روشی ساخت که فشار زیادی به وجود آورند و یا اینکه فقط عمل انتقال مایعات را بدون ایجاد فشار انجام دهند.

پمپ‌ پیستونی زاویه‌دار

روش کار پمپ‌های پیستونی:

پمپ پیستونی از سیلندر (cylinder)، پیستون (piston)، ولو ورودی (suction valve) و ولو خروجی (discharge valve) تشکیل شده است. پیستون به وسیله‌ی دسته‌ای که یک سوی آن بر روی چرخ دواری قرار گرفته است، در جهت بالا و پایین (در پمپ‌های عمودی) حرکت می‌نماید. هنگام حرکت پیستون به طرف بالا، دریچه خروجی در اثر مکش و نیروی ناشی از برگشت جریان از مجرای خروجی بسته شده و در اثر نیروی مکش ایجاد شده در داخل سیلندر، دریچه‌ی ورودی باز و مایع به درون محفظه پمپ مکیده می‌شود. هنگامی که پیستون به طرف پایین حرکت می‌نماید، دریچه‌ی ورودی بسته شده و دریچه‌ی خروجی باز می‌گردد و سیال محبوس در محفظه، تحت فشار پیستون به مجرای خروجی انتقال می‌یابد. تکرار این عمل سبب انتقال سیال از یک محل به محل دیگر می‌گردد. سیلندر باید به شکلی آب‌بندی شده باشد که مایع نتواند به خارج نشت نماید. هر حرکت رفت پیستون را یک کورس (stroke) و مسافتی را که پیستون طی می‌کند کورس حرکتی می‌نامند.

• پمپ‌های دنده‌ای:

پمپ دنده‌ای (Gear Pump) از گروه پمپ جابه‌جایی مثبت بوده که در هر بار چرخش چرخدنده‌ها، مقدار ثابتی از سیال را جابه‌جا می‌کنند. پمپ دنده‌ای در دو نوع دنده خارجی و دنده داخلی ساخته می‌شوند. پمپ‌های داخلی برای شرایط سرعت و فشار پایین مناسب هستند. معمولا در ساخت بدنه و چرخ‌دنده از چدن، برنز، استیل ضد زنگ، پلیمر (تفلون) و فولاد آلیاژی استفاده می‌کنند. جنس بوش هم از کربن گرافیت یا برنز و یا کاربید تنگستن (tungsten) و سیلیکون (Silicon) است. برای شافت اصلی پمپ هم از فولاد آلیاژی یا استیل ضد زنگ استفاده می‌کنند.

نحوه‌ی عملکرد پمپ ‌دنده داخلی:

سیال با حرکت چرخ‌دنده، پس از ورود به پمپ به سمت خروجی پمپ رانده می‌شود. این نوع پمپ علاوه بر روغن‌ها برای سیال‌های غلیظ مانند آسفالت و چسب نیز کاربرد دارند. این نوع پمپ‌ها در دماهای مختلف کاربرد دارد.

مزایای پمپ‌های دنده‌ای:

1. دارای دو عضو متحرک هستند
2. حرکتی بدون ضربه و یکنواخت دارند
3. برای مواد با ویسکوزیته بالا بسیار مناسب هستند
4. چرخش در دو جهت (پر و تخلیه‌ی یک مخزن) امکان‌پذیر است
5. طراحی منعطفی دارند
6. تعمیر و نگهداری آن‌ها آسان و ارزان است
7. [NPSH [۱ آن‌ها بسیار پایین است
8. خودمکش هستند

• پمپ‌های پیچی (screw pumps):

پمپ پیچی یک پمپ دنده‌ای با جابه‌جایی مثبت و جریان محوری بوده که در اثر درگیری سه پیچ دقیق (سنگ خورده) درون محفظه آب‌بندی شده است و جریانی کاملا آرام، بدون ضربه و با بازده‌ی بالا تولید می‌کند. دو روتور هرزگرد به عنوان آب‌بندهای دوار عمل نموده و باعث رانده شدن سیال در جهت مناسب می‌شوند. حرکت آرام، بدون صدا و ارتعاش، قابلیت کار با انواع سیال، حداقل نیاز به روغنکاری، قابلیت پمپاژ امولسیون[۲] آب و روغن و عدم ایجاد اغتشاش زیاد در خروجی از مزایای منحصر به فرد این پمپ است.

پمپ‌های اسکرو یا پمپ‌های پیچی (screw pumps) تنها نوع از پمپ‌های جابه‌جایی مثبت روتاری (Rotary positive displacement pumps) هستند که جریان از میان قطعات پمپ به شکل محوری (axial flow) عبور می‌کند. در یک پمپ اسکرو، سیال از بین رزوه‌های پیچ‌هایی که بر روی یک و یا چند روتور قرار دارند حرکت می‌کند. وقتی که پیچ‌ها می‌چرخند و با هم درگیر می‌شوند، سیال به صورت محوری حرکت می‌کند. در بقیه‌ی انواع پمپ‌های روتاری، سیال مجبور می‌شود که به شکل دایره‌ای حرکت کند، تنها پمپ اسکرو دارای الگوی جریان محوری و سرعت‌های داخلی پایین است. این ویژگی در کارهایی که هدف آن هم‌زدن و یا گرفتن ‌روغن از سیال باشد مزیت بسیاری دارد.

ساختمان پمپ‌های اسکرو (Screw Pump):

ساختمان پمپ‌های اسکرو منسجم بوده که باعث می‌شود فرآیند ساخت سرراستی داشته باشند. ساختمان پمپ‌های اسکرو در شکل زیر مشاهده می‌شود. پمپ اسکرو (Screw Pump) دارای سه میله‌ی چرخان می‌باشد، که یکی از آن‌ها محرک (Driver) و دوتای دیگر تحریک‌شونده (Driven) می‌باشند. دقت ساخت بالا و تطابق مناسب بین میله‌های پیچی باعث می‌شود تا با چرخش این میله‌ها عمل پمپاژ انجام گیرد. حرکت چرخشی پیچ اصلی توسط یک موتور که با کوپلینک مناسب بدان وصل شده است تأمین می‌شود.

پمپ‌ها دارای یک بدنه که حاوی یک ورودی و خروجی مناسب می‌باشد، هستند. تعبیه ورودی در پایین و خروجی در بالای پمپ دارای ارجحیت می‌باشد. این پمپ‌ها دارای شیر اطمینان نصب شده در انتهای خروجی پمپ می‌باشند.

نحوه‌‌ی کارکرد پمپ پیچی (Screw Pump):

کارکرد این نوع از پمپ‌ها ساده می‌باشد و یک پیچ محرک، دو پیچ دیگر را با حرکت خود به حرکت در می‌آورد؛ نیروی پیچ محرک از طریق موتور الکتریکی، موتور احتراق داخلی و یا …  تامین می‌گردد. پس از چرخش پیچ‌ها (جهت چرخش دو پیچ تحریک شده، عکس پیچ محرک می‌باشد) عامل خلاء و گریز از مرکز باعث ایجاد مکش از پایین پمپ به سمت بالای آن خواهد شد. برای اطمینان از عملکرد پمپ، یک شیر اطمینان که فشار خروجی را بررسی می‌کند، در مسیر خروج سیال قرار دارد که اگر فشار از حد مجاز خارج شده باشد با باز شدن آن، مقداری سیال به سمت ورودی رفته و فشار کل سیال کاهش می‌یابد.

انواع پمپ‌های پیچی (اسکرو):

پمپ‌های پیچی به دو دسته تقسیم می‌شوند: تک روتوری و چند روتوری.

پمپ‌های چند روتوری: به دو دسته‌ی زمان‌دار و غیر زمان‌دار دسته‌بندی می‌شود.

روتورهای زما‌‌ن‌دار متکی به یک وسیله‌ی خارجی هستند تا درگیری رزوه‌ها را تنظیم و نیروی وارد بر روتورها را تامین کنند. روتورهای غیر زمان‌دار به دقت و درستی شکل پیچ‌ها برای درگیری درست و انتقال چرخش اعتماد می‌کنند.

پمپ تک‌روتوری: پمپ تک اسکرو یا تک پیچی (single screw) بیش‌تر به پیچ ارشمیدس (archimedean screw) مشهور است. ابعاد پمپ تک پیچ، بزرگ‌تر از انواع دیگر پمپ‌های اسکرو می‌باشد. پیچ ارشمیدس معمولا به عنوان پمپ بالابر آب به کار می‌رود که در این حالت زاویه‌ی پیچ در حدود ۳۰ درجه قرار می‌گیرد. همچنین پمپ تک‌پیچی برای سیالاتی که دارای جامد معلق هستند در لیفت عمودی و یا انتقال افقی به کار می‌رود. طراحی پمپ‌های تک پیچی به گونه‌ای است که به ذرات جامد آسیب کمی وارد می‌کنند و خراش‌دیدگی پمپ نیز اندک خواهد‌ بود. یک عیب پمپ‌های تک‌پیچی، این است که برای دستیابی به ظرفیت‌های بالا باید حجم پمپ بسیار زیاد شود زیرا سرعت چرخش آن در حدود ۳۰ تا ۶۰ دور بر دقیقه است. پمپ تک پیچی با وجود این که ۲۰۰ سال قدمت دارد، امروزه نیز به ندرت از آن برای آبیاری استفاده می‌شود.

پمپ اسکرو خارج مرکز:

پمپ پیچی خارج مرکز (Eeccentric screw pump) یا حفره پیش‌رونده (Prgressive cavity) بسیار پر کاربرد است و توانایی جابه‌جایی مایعات و محصولات متنوع را با راندمان بالا دارد. پمپ پیچی (اسکروی) خارج از مرکز از یک پیچ صلب بر روی یک روتور تشکیل شده است که داخل یک استاتور مارپیچی از جنس لاستیک سخت و یا نرم با حرکت اندکی خارج از مرکز می‌چرخد. این پمپ می‌تواند مایعات ویسکوز، لجن، خمیر، جامدات معلق و محصولات ظریف را جابه‌جا کند که این به دلیل سرعت‌های جریان کم در داخل پمپ است.

بطور کلی، پمپ‌های پیچی (Screw pump) برای سیالات با ویسکوز بالا به‌کار می‌روند. این پمپ‌ها در دماها و فشارهای بالا نیز بازده‌ی خوبی دارند.

• پمپ‌های پره‌ای (Vane Pumps):

پمپ‌های پره‌ای نوعی از پمپ‌های جابه‌جایی مثبت (Positive displacement Pumps) و روتاری هستند که از نظر اصول‌ کارکرد به پمپ‌های دنده‌ای (Gear Pumps) شباهت زیادی دارند. حرکت پمپ‌های پره‌ای، دورانی و نیروی محرکه‌ی آن‌ها از موتورهای الکتریکی تامین می‌گردد. پره‌ها حرکت خارج از مرکز دارند و می‌توانند در داخل شیارها حرکت رفت‌و‌برگشتی داشته باشند؛ وقتی که پره به جداره‌ی پمپ نزدیک می‌شود کاملا داخل شیار جا گرفته و همین که از آن دور شد در اثر فشار فنر از داخل شیار بیرون آمده و سیال را از قسمت ورودی به طرف قسمت خروجی با خود می‌برد. پره‌ها در اثر نیروی فشار فنری که در پشت آن‌ها است همواره با جداره پمپ در تماس هستند.

مزایای پمپ‌های پره‌ای:

1. برای سیالات با ویسکوز پایین مانند گاز پروپان (LP) بسیار مناسب هستند
2. امکان جبران سایش پره‌ها وجود دارد
3. برای مدت کوتاه می‌توانند خشک کار کنند
4. نیاز به وسیله‌ی خاصی برای آب‌بندی ندارند
5. خلاء مناسب ایجاد می‌کنند

معایب پمپ‌های پره‌ای:

1. اجزای تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها پیچیده هستند
2. برای فشار‌های بالا مناسب نیستند
3. برای ویسکوزیته بالا مناسب نیستند
4. برای مواد ساینده مناسب نیستند

کاربردهای پمپ‌های پره‌ای:

1. صنایع نظامی مانند موشک
2. صنایع خودروسازی مانند قسمت سوخت‌رسانی و روغنکاری
3. صنایع پتروشیمی مانند انتقال مواد LPG

• پمپ‌های پیستونی شعاعی:

پمپ‌های شعاعی به پمپ‌های پیستونی شباهت زیادی دارند؛ با این تفاوت که در پمپ‌های پیستونی با حرکت رفت و برگشتی پیستون، روغن ابتدا مکیده و سپس در هنگام رفت، آن را تخلیه می‌کند. در پمپ‌های پیستونی، پیستون‌ها موازی محور بلوک اصلی سیلندر قرار می‌گیرند و در پمپ‌های شعاعی، پیستون‌ها در راستای شعاعی نسبت به مرکز قرار دارند.

برای پمپ نمودن سیال رینگ عکس‌العمل باید نسبت به محور محرک، خروج از مرکز داشته باشد (مانند شکل بالا)؛ در ناحیه‌ای که پیستون‌ها از محور روتور فاصله دارند خلا نسبی بوجود آمده در نتیجه مکش انجام می‌گیرد؛ در ادامه دوران روتور، پیستون‌ها به محور نزدیک شده و سیال موجود در روتور را به خروجی پمپ می‌کند.

اجزای اصلی پمپ پیستونی رادیال:

در شکل زیر اجزای اصلی یک پمپ رادیال پیستونی نشان داده شده است:

مزایای پمپ‌های شعاعی:

1. راندمان بالا
2. فشار بالا
3. نوسان کم در فشار و دبی
4. سر و صدای کم
5. توانایی بار بسیار بالا در سرعت‌های پایین
6. عدم وجود نیروهای محوری در یاتاقان‌های شافت
7. قابلیت اعتماد بالا

کاربرد پمپ‌های پیستون شعاعی:

1. برای سیالات هیدرولیکی مانند روغن‌های معدنی
2. در ابزار ماشینکاری
3. در دستگاه‌های با فشار بالا مانند دستگاه‌های پرس
4. در خودروها مانند گیربکس اتوماتیک (Automatic Transmission)
5. در قالب‌های تزریق پلاستیک و پودر

• پمپ‌های پیستونی محوری:

پمپ‌های پیستونی دارای مکانیزم دورانی هستند که اصول عملکرد آن‌ها در پمپ نمودن سیال همانند پمپ‌های رفت و برگشتی است با این تفاوت که به جای یک سیلندر و پیستون دارای تعداد زیادی سیلندر و پیستون می‌باشند. با مکانیزم دورانی، پیستون‌ها داخل سیلندر رفت و برگشت نموده و روغن را به داخل محفظه سیلندر کشیده و سپس آن را به داخل سیستم پمپ می‌نمایند.

پمپ‌های پیستونی با دارا بودن بیشترین نسبت توان به وزن، از گران‌ترین پمپ‌ها هستند و در صورت آب‌بندی دقیق پیستون‌ها می‌توانند بالا­ترین بازدهی را داشته باشند. معمولا جریان در این پمپ‌ها بدون ضربه بوده و به دلیل عدم وارد آمدن بار جانبی به پیستون‌ها دارای عمر طولانی می‌باشند، اما به خاطر ساختار پیچیده تعمیر آن‌ها مشکل است. در سیستم‌های هیدرولیکی با فشار­ کاری بالا، پمپ پیستونی کاربردی‌ترین نوع پمپ به شمار می‌رود.

پمپ‌های پیستونی محوری با محور خمیده (Axial piston pumps – bent axis type) :

در این نوع پمپ‌ها، راستای بلوک اصلی سیلندر با راستای محور محرک دارای زاویه می‌باشد؛ میله‌های پیستون توسط اتصالات کروی (ball & Socket Joints) به فلنج که به محور محرک مرتبط است، متصل می‌شوند. با حرکت فلنج و فاصله گرفتن از بلوک اصلی سیلندر، پیستون‌ها شروع به حرکت می‌کنند. بلوک سیلندر هم با یک اتصال یونیورسال (Universal link) به محور محرک وصل شده است. میزان خروجی پمپ پیستونی محور خمیده با تغییر زاویه‌ی بین دو محور پمپ قابل تغییر است (دبی متغیر). در زاویه‌ی صفر، خروجی وجود ندارد و بیشینه خروجی در زاویه‌ی ۳۰ درجه بدست خواهد آمد.

• پمپ‌های پیستونی محوری (Axial piston pumps):

در این نوع پمپ، محور اصلی با محور محرک در یک راستا می‌باشند؛ با حرکت دورانی محور اصلی و حرکت صفحه‌ی زاویه‌گیر، پیستون‌ها که به صفحه متصل هستند، شروع به حرکت رفت‌و‌برگشتی می‌کنند؛ با این حرکت، سیال از ورودی به خروجی پمپ می‌کنند. اگر وضعیت صفحه‌ی زاویه‌گیر به صورت دستی یا توسط موتور، قابل تنظیم باشد، مقدار دبی تغییر می‌کند که به آن پمپ پیستونی واری‌ایبل [۳] (دبی متغیر) گویند. حداکثر زاویه‌ی صفحه‌ی زاویه‌گیر ۱۷٫۵ درجه می‌باشد.

در این نوع پمپ پیستونی محوری، محور بلوک سیلندر و محور محرک در یک راستا قرار می‌گیرند و در حین حرکت دورانی به خاطر پیروی از وضعیت صفحه‌ی زاویه‌گیر،  پیستون‌ها حرکت رفت و برگشتی انجام خواهند داد؛ با این حرکت، سیال را از ورودی مکیده و در خروجی پمپ می‌کنند. این پمپ هیدرولیکی را می‌توان با خاصیت جابه‌جایی متغیر نیز طراحی نمود. در پمپ‌های با جابه‌جایی متغییر (پمپ پیستونی واریابل) وضعیت صفحه‌ی زاویه‌گیر توسط مکانیزم‌های دستی، سروو کنترل و یا از طریق سیستم جبران‌کننده تنظیم می‌شود.

[۱]  ارتفاع مکش مثبت خالص (NPSH): مقدار فشار مکشی است که عملاً‌ در سیستم موجود است و مقدار آن تابع شرایط سیستم پمپاژ است که می‌بایست همواره مقدار آن از NPSHR بالاتر باشد. NPSHR (ارتفاع مثبت خالص مکش مورد نیاز): مقدار حداقل فشار مورد نیاز در قسمت ورودی پمپ که برای جلوگیری از تبخیر شدن سیال (کاویتاسیون) است و به عنوان یک فاکتور مهم بر روی پمپ‌ها از طرف سازنده قید می‌شود.

[۲]  امولسیون به مخلوطی از دو یا چند مایع گفته می‌شود که مخلوط ناشدنی باشند. امولسیون بخشی از یک کلاس کلی‌تر از سیستم‌های دو فازی به نام کلویید می‌باشد. اگر چه این دو واژه گاهی به جای هم به‌کار برده می‌شوند. اما زمانی از امولسیون استفاده می‌شود که هر دو فاز جدا و پیوسته، سیال باشد.

[۳] Variable flow piston pump