Applied Fluid Machinery

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Lecture 9

Wang-Hee Lee

Chungnam National University Biosystems Machinery Engineering

Rotary pump

Rotary pump

 회전펌프는 1~3개의 회전자(rotor)의 회전 운동에 의하여 유체를 이송하는 펌프  흡입/송출밸브 없이 케이싱 내에서 회전자의 회전에 의하여 액체를 운송

 대표적인 것으로는 베인펌프(vane pump), 톱니펌프(gear pump), 나사펌프(screw pump)등이 있다

 회전펌프의 특징

① 소유량 고압의 양정을 요구하는 경우에 적합하다

② 연속적으로 유체를 운송하므로 일반적인 왕복펌프와 같이 송출량이 맥동하는 일은 거의 없다

③ 구조가 간단하고 취급이 용이

④ 왕복 펌프와 달리 고장 나기 쉬운 밸브를 내장하고 있지 않고, 회전운동을 하므로 고속운전이 가능하고, 따라서 무게 및 부피가 작은 이점

(2)

Rotary pump

Types of rotary pump

 운동상태에 따라: 2종류

① 치차(톱니)식(gear type)이나 스쿠류식(screw type)과 같이 순수한 회전운동만을 하는 것

② 캠피스톤식(cam piston type)이나 베인식(vane type)과 같이 운동부분에 왕복 또는 요동이 있는 것 등이다

 회전하는 로터(rotor)의 수에 따라 1개식, 2개식, 3개식 등이 있다.

 로터기구상의 형식에 따라

① 치차펌프, 나사펌프, 베인펌프, 로브펌프, 회전 플런저펌프 등

② 이 중에서 회전플런저 펌프는 플런저의 왕복운동에 따라 왕복펌프에 포함시키기도 한다.

 이들 중에서 액압펌프 및 액압 모터에 사용되는 것은 치차형, 나사형, 베인형, 회전플런저형 등이다.

Rotary pump

Gear pump

 펌프의 케이싱 안에서 서로 맞물고 회전하는 치차의 이가 흡입측에서 서로 떨어지면서 치차의 끝에 액체가 흡입되고 이 흡입된 액체는 치차의 회전과 함께 케이싱에 둘러싸여져 송출구 측으로 압송되는 펌프를 기어펌프라 한다.

 두 개의 외치차(external gear)가 케이싱 내에서 서로 맞물리는 구조로 되어 있다.

 펌프축이 회전하면서 두 치차의 맞물림부가 떨어질 때 공간이 생겨 유체가 빨려 들어가서 치차 사이의 공간을 채운다.

 펌프의 치차는 송출측과 흡입측 사이에서 물리므로 일단 송출측으로 보내진 유체는 흡입측으로 되돌아 오지 않고 송출측으로 배출된다

 기어펌프의 특징

① 소형 경량으로 값이 싸다

② 과격운전 , 오염된 기름, 유온의 상승, 과부하에 잘 견딘다.

③ 유압구동에 사용된다(건설 기계, 하역기계, 산업용, 차륜용)

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Rotary pump

Gear pump: 문제 현상 및 해결

 폐쇄작용: 송출측까지 운반된 유체의 일부(매우 미소한 양)은 두 치차가 맞물릴 때 두 치차의 틈새에 갇혀서 다시 흡입측으로 되돌아 오는 현상

 치차 2개가 무는 구간에서 갇혀지는 부분을 형성하는데 갇혀진 용적은 그림과 같이 치차의 회전에 따라 처음에는 감소하고 무는 중간 지점을 통과하면 증가한다

 이 감소구간에서는 액이 압축되어 고압을 발생하고 축마력의 증가, 베어링 마모, 진도, 소음의 원인으로 되고 증가구간에서는 진공으로 되어 기포를 발생한다

 갇혀진 액을 방지하는 방법

① 치가 무는 부분에 면한 덮개 이면에 홈을 가공하고 홈을 통하여 고압 발생부분을 토출측에, 진공 발생부를 흡입측에 각각 연락하여 토출로 넘치게 하고 흡입측으로부터 보급을 행한다.

② 고정축에 홈을 가공하고 여기에 조립한 종동 치차에 구멍을 뚫는다.

③2중 헬리컬 치차로 하면 닫혀지는 공간의 변화량이 평치차 보다 작게 된다.

④ 연속 치형 곡선으로 하여1점에서 물도록 하여 닫혀진 공간을 만들지 않도록 한다.

Rotary pump

Gear pump: 문제 현상 및 해결

 갇혀진 액을 방지하는 방법

① 치가 무는 부분에 면한 덮개 이면에 홈을 가공하고 홈을 통하여 고압 발생부분을 토출측에, 진공 발생부를 흡입측에 각각 연락하여 토출로 넘치게 하고 흡입측으로부터 보급을 행한다.

② 고정축에 홈을 가공하고 여기에 조립한 종동 치차에 구멍을 뚫는다.

③2중 헬리컬 치차로 하면 닫혀지는 공간의 변화량이 평치차 보다 작게 된다.

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Rotary pump

Gear pump: 이론 송출량

한쪽기어 1회전으로 송출되는 유량 (m

³

)

한쪽의 면적 (m

²

)

양쪽기어의 송출되는 양

양쪽의 면적

분당 이론 송출량

𝑉𝑡ℎ= 𝑎𝑏𝑍

𝑎𝑍 = 𝜋4 𝐷^𝑜²− 𝐷𝑖2

2

𝑉𝑡ℎ= 2𝑎𝑏𝑍

2𝑎𝑍 = 2 × 𝜋4 𝐷^𝑜²− 𝐷𝑖2

2 =𝜋

4𝐷𝑜2− 𝐷𝑖2

𝑉𝑡ℎ=𝜋 4𝐷𝑜2− 𝐷𝑖2𝑁

𝑎 치형과 치형사이의 면적 (기어축에 수직한 방향) 𝑏 이의 폭

𝑍 이의 개수 𝐷

𝑜

치선원의 지름 𝐷

𝑖

치저원의 지름

Rotary pump

Types of gear pumps: 외접기어펌프

 외접기어펌프 (External gear pump)

1. 두 개의 외치차(external gear)가 케이싱 내에서 서로 맞물리는 구조로 되어 있다.

2. 펌프축이 회전하면서 두 치차의 맞물림부가 떨어질 때 공간이 생겨 유체가 빨려 들어가서 치차 사이의 공간을 채운다.

3. 펌프의 치차는 송출측과 흡입측 사이에서 물리므로 일단 송출측으로 보내진 유체는 흡입측으로 되돌아 오지 않고 송출측으로 배출된다.

4. 가공이 용이하고 효율이 높다.

5. 폐쇄현상(혹은 폐수현상)으로 인해 펌프의 진동이나 소음이 발생하기 쉽다.

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 로브형기어펌프 (Lobe pump): 일명 루트펌프(root pump)라고도 한다

1. 기어펌프의 치수를 적게 한 것이라고 볼수 있는데 2 로브형이고, 3 로브형이 있다.

2. 기어펌프에 비하여 치수가 적기 때문에 송출량의 맥동은 피할 수 없다.

3. 한편의 로터가 맞물림으로써 상대방을 회전시킬 수 없으므로 외부에 있는 별도의 기어에 의하여 상대방을 구동한다.

4. 일반적으로 비중이 큰 액체보다는 공기와 같은 비중이 가벼운 기체의 송출용으로 많이 이용된다. 2사이클 디젤기관의 소제공기 펌프(scavenging pump)로 사용되기도 한다.

Rotary pump

Types of gear pumps: 외접기어펌프

 헬리컬 치차 펌프 (Helical gear pump)

1. 평치차 펌프에 비해 두 치차의 맞물림이 좋아서 평치차 펌프보다 고속 운전이 가능하고, 기름은 물론 물과 같이 윤활성이 없는 액체를 이송하는 데에도 이용할 수 있다.

2. 평치차 펌프와는 달리 이뿌리 부분의 액체가 순차적으로 빠져나갈 수 있으므로 압축과 흡입 작용이 생기지 않는 이점이 있다

Rotary pump

Types of gear pumps: 내접기어펌프

 내접기어펌프 (Internal gear pump)

1. 펌프의 중심을 회전중심으로 하는 바깥기어와 펌프의 중심과 편심되어 바깥기어와 접하여 회전하는 안기어, 그리고 유압유를 이송시키는 공간이 되는 크레슨형 스페이서로 구성된다.

2. 외접기어에 비하여 송출시의 맥동이 작고 내외기어의 상대속도가 작아서 이의 마멸도 작으므로 고속회전에 적합하다

트로코이드 펌프(trochoid pump)

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 스크류펌프 혹은 나사펌프 (Screw pump)

1. 나사펌프(screw p’p)는 나사 모양의 회전자를 케이싱 속에서 회전시켜서 케이싱과 나사 사이에 갇힌 유체를 축방향으로 이송하는 펌프

2. 한쪽의 원동 축에 종동 나사 축을 1~3개를 물리게 하여 서로반대 방향으로 회전 하게 한다.

Rotary pump

Types of gear pumps: 내접기어펌프

 특징

1. 나사 봉 상호간에 금속적인 접촉이 없으므로 수명이 길다 2. 양쪽이 좌우 나사이므로 유압이 평형 되어 추력이 생기지 않는다

3. 값이 싸며, 소음 진동이 없고, 고속회전이 가능하여 비교적 소형으로 대용량이다.

4. 체적효율이 비교적 좋다

5. 액이 축방향으로 유동하므로 흡입측의 난류유동이 적고 흡입 실양정을 높게 할 수 있다.

 베인펌프 (Vane pump): 원통형 casing 안에 편심 회전자가 있고 회전자는 반지름 방향으로 여러 가닥의 홈이 있으며, 그 홈 속에 판상의 깃이 들어 있어 이것의 원심력 or spring 장력에 의해 벽에 밀착되면서 회전하여 액체 수송

1. 원통형 케이싱(casing)과 이에 내접하여 회전하는 원주형의 회전자(rotor) 및 회전자 원주면에 가공된 홈에 있는 평판형 날개(vane)로 구성되어 있다.

2. 회전자가 회전하면 회전자의 원주면에 가공된 홈의 내부에 있는 베인이 원심력에 의하여 케이싱의 내면에 밀착하여 회전한다.

3. 회전자가 반 회전할 동안 케이싱, 회전자, 베인 및 양 측면에 의하여 밀폐된 공간이 커지면서 흡입구로부터 유체를 흡입하고, 다음 반 회전동안은 공간이 작아지면서 흡입한 유체를 송출구로 밀어낸다.

Rotary pump

Vane pump

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 베인펌프의 장점

1. 토출 압력에 맥동이 적다.

2. 베인이 마모하여도 압력이 저하하지 않는다.

3. 용량에 비하여 형상이 작다.

4. 구성부품수가 적고 또한 그들의 모양이 단순하므로 고장이 적고 보수가 용이

Rotary pump

Vane pump

베인펌프는 공작기계, 사출성형기, 프레스와 같은 산업기계와 차량용에 많이 사용

 베인펌프의 단점

1. 높은 공작정도가 요구된다 – 베인 및 로터는 캠링과 부싱에 끼어 회전하므로 그 접촉면적이 크기 때문에 각 부의 직각도, 치수 등은 상당히 정도가 높아야 한다.

2. 유압유의 점도에 제한이 있다. 접촉면적이 크기 때문에 체적효율을 좋게 하기 위해서는 높은 점도의 유압유를 사용하여 간극을 작게 할 필요가 있다

Rotary pump

Vane pump의 이론 송출량

로터가 1회전 할 때 배제되는 유체의 용적은 캠링과 로터 및 깃 사이의 용적 𝑉

𝐴

와 𝑉

𝐵

의 차에 깃의 수 Z를 곱한 만큼의 유체가 송출되므로 1회전당 배제용적

𝑉𝑡ℎ= 𝑍 𝑉𝐴− 𝑉𝐵

이론송출량

𝑄𝑡ℎ= 𝑉𝑡ℎ𝑁 𝑄𝑡ℎ= 𝑏 𝜋 𝐷

2+ 𝑒 2

− 𝜋 𝑑 2 2

− 𝜋𝐷 2− 𝑒

2

− 𝜋 𝑑 2 2

𝑁 =𝟐𝝅𝑫𝒆𝒃𝑵

𝐷 = 실린더의 안지름

𝑑 = 회전자의 안지름

𝑏 = 회전자의 width

𝑒 = 편심량

(8)

Rotary pump

회전펌프의 동력과 효율

 체적효율 𝜂𝑣= 𝑉

𝑉𝑡ℎ=𝑉𝑡ℎ− ∆𝑉 𝑉𝑡ℎ =𝑄

𝑄𝑡ℎ

𝑉 = 펌프 1회전당 실제송출량 𝑉

𝑡ℎ

= 펌프 1회전당 이론송출량

∆𝑉 = 누설유량

 기계효율 𝜂𝑚= 𝐿𝑡ℎ

𝑆 × 60=𝑝𝑄𝑡ℎ 60𝑆=𝑝𝑉𝑡ℎ𝑁

60𝑆

𝑁 = rpm 𝑆 = 축동력

𝐿𝑡ℎ= 𝑝𝑄𝑡ℎ= 𝑝𝑉𝑡ℎ𝑁 (이론동력)

 전효율 𝜂 = 𝜂𝑣𝜂𝑚=𝑉

𝑉𝑡ℎ∙𝑝𝑉𝑡ℎ𝑁 60𝑆 =𝑝𝑉𝑁

60𝑆=𝑝𝑄

60𝑆 실제송출유량 𝑄 = 𝑉𝑁