Lecture 1
Applied Fluid Machinery
Wang-Hee Lee
Chungnam National University Biosystems Machinery Engineering
유체기계
원동기 종동기
유체 에너지로부터 동력을 발생
동력을 사용하여 유체에 에너지를 가함
수차, 풍차 (turbine) 등
유체 에너지 → 기계적 에너지
펌프 (pump)
기계적 에너지 → 유체 에너지
Introduction
Types of fluid machinery
에너지 전환
물, 공기를 위주로 기타 각종 유체를 취급하는 기계의 총칭
유체의 에너지와 축동력과의 가역적 변환을 이상으로 하는 기계
유체기계
동력학적 기계 용적식 펌프
회전축(날개)으로 에너지가 공급되거나 추출
부피변화로 유체를 이동 에너지 전달 방식
펌프
터빈
Introduction
Types of fluid machinery
Impeller blade
Runner blade
터보기계
(turbo machinery)피스톤
왕복펌프
회전차의 동력학적 원리에 의해 작용
회전차를 통하여 유체와 기계 사이에 에너지를 연속적으로 변화하여 전달하는 기계
물, 공기를 위주로 기타 각종 유체를 취급하는 기계의 총칭
유체의 에너지와 축동력과의 가역적 변환을 이상으로 하는 기계
유체기계
수력 기계 취급유체 공기기계
Introduction
Types of fluid machinery
물, 공기를 위주로 기타 각종 유체를 취급하는 기계의 총칭
유체의 에너지와 축동력과의 가역적 변환을 이상으로 하는 기계
유체 수송기계 용도 유체 원동기계
유체동력전달기기 유체식 제어기기
유체의 수송이 목적 펌프, 송풍기, 압축기
유체 에너지 → 기계적 에너지 수차, 유압모터, 풍차
유체를 이용한 동력 전달 유체 커플링, 엑체토크 컨버터
유체를 이용한 제어 작용 제어 밸브
펌프의 발달
Introduction
History of pump development
농사를 짓는데 필요한 물을 공급하기 위해 시작 이집트에서는 기원전 1500년경에 타래박이 사용
Archimedes의 나사차, 로프 두레박, 통나무로 만든 실린더에 의한 왕복형 펌프 출현
15세기 네덜란드에서는 펌프를 연결한 풍차 등장
16세기 농업용수 공급 뿐 아니라 도시 급수, 광산의 채광부 배수등이 중요한 과제로 등장하여 펌프의 개량과 발달이 촉진
17, 18세기에는 증기기관과 결합한 Watt의 왕복형 펌프가 개발, 플런저 (plunger) 고안
19세기 초 Euler에 의하여 정립된 원심펌프 이론이 펌프설계에 실제 적용 19세기 말 현대적 펌프의 완성 및 전력 보급의 확대에 따른 원심형 펌프의 보급 19세기 말 축류펌프와 회전형 펌프의 실용화
수차의 발달
Introduction
History of hydraulic turbine development
물의 위치에너지를 이용하여 동력을 발생하는 기계 최초의 형태 – 물레방아
물레방아는 4세기 말~5세기 말에는 제분에 이용 그 후 분쇄, 제재, 금속의 연삭, 단조작업에 사용 14세기 중엽 상향식 수차의 발전
18세기 중엽 Segner, Euler 등에 의하여 수차의 기초 이론이 완성 1740년 스코틀랜드의 Baker에 의해 수차 개발 – 반동수차의 기원 1832년 프랑스의 Fourneyron에 의해 근대적 수차 개발 1855년 미국의 Francis는 반동수차의 대표격인 Francis 수차 완성
19세기 중엽 유럽에서는 Girard에 의하여 충격(충동) 수차 고안 1870년 미국의 Pelton은 구조가 간단하고 효율이 좋은 Pelton 수차를 완성 그 후 초고속 수차를 위하여 프로펠러형의 회전차 도입
1912년 Kaplan에 의해 유량에 따라 깃의 각도가 조절 가능한 Kaplan 수차 개발 Francis turbine
Pelton turbine Kaplan turbine
Concepts and definitions
Dimension and unit
차원: 물질, 변위, 시간을 규정하는 기본량 기본 차원: 질량, 길이, 시간 , 온도 유도 차원: 기본 차원으로부터 유도될 수 있는 차원
차원 (Dimension)
단위 (Unit)
단위 : 차원의 크기를 나타내기 위해 사용 MKS (m, kg, s) 혹은 CGS (cm, g, s)
물 리 량 기 호 FLT 계 MLT 계
길이(length) l L L
시간(time) t T T
속도(velocity) v LT-1 LT-1
가속도(acceleration) a LT-2 LT-2
질량(mass) m FT2L-1 M
밀도(density) ρ FT2L-4 ML-3
힘(force), 중량(weight) f, w F MLT-2
비중량(specific weight) r, 𝛾 FL-3 ML-2T-2
압력(pressure) p FL-2 ML-1T-2
토크(torque), 일(work) T, W FL ML2T-2
동력(power) L FLT-1 MLT-3
응력(stress) σ, τ FL-2 ML-1T-2
체적유량(volume flow rate) Q L3T-1 L3T-1
절대점성계수(absolute viscosity) μ FLT ML-1T-1
동점성계수(kinematic viscosity) v L-2T-1 L2T-1
체적탄성계수(modulus of elasticity) E FL-2 ML-1T-2
표면장력(surface tension) σ FL-1 MT-2
온도(temperature) T 𝜃 𝜃
각속도(angular velocity) w T-1 T-1
운동량(momentum) mV FT MLT-1
각운동량(angular momentum) R FLT ML2T-1
Fluid measurement
유량 이론
연속 방정식 (continuity equation)
체적유량 (volumetric flow rate) 질량유량 (mass flow rate) 중량유량 (weight flow rate) 𝜌1𝐴1𝑉1= 𝜌2𝐴2𝑉2
𝑄 = 𝐴𝑉 𝑚 = 𝜌𝐴𝑉
𝐺 = 𝜌𝑔𝐴𝑉
베르누이 방정식 (Bernoulli equation)
𝑝1 𝜌𝑔+𝑉122𝑔+ 𝑧1=𝑝2 𝜌𝑔+𝑉22
2𝑔+ 𝑧2+ ℎ𝐿
𝑝1 𝜌+𝑉12
2+ 𝑔𝑧1− 𝑊𝑝𝑢𝑚𝑝=𝑝2 𝜌+𝑉22
2+ 𝑔𝑧2+ 𝑔ℎ𝐿
에너지 방정식
Fluid measurement
벤츄리계 (Venturimeter)
단면 1, 2 사이에 베르누이 방정식 적용
𝑝1
𝛾+𝑣12
2𝑔=𝑝2
𝛾+𝑣22
2𝑔 Q = 𝐴1𝑣1= 𝐴2𝑣2 연속방정식
𝑝1− 𝑝2
𝛾 =𝑣22
2𝑔1 − 𝐴2
𝐴1
2 𝑣2= 1
1 − 𝐴𝐴21
2∙ 2𝑔𝑝1− 𝑝2
𝛾
𝑄 = 𝐴2𝑣2= 𝐴2
1 − 𝐴𝐴21
2∙ 2𝑔𝑝1− 𝑝2
𝛾 𝑄 = 𝐶𝑑𝐴2
1 − 𝐴𝐴21
2∙ 2𝑔𝑝1− 𝑝2
𝛾
Cd: 유량계수
유량을 계측하는 경우 이론상으로 얻어지는 유량과 실제의 유량 사이의 관계를 나타내는 계수 관로내 유량을 측정하는 계기
두 단면의 압력 차를 구하여 유량을 계산
단면 축소 부분이 유체를 가속시킴에 따라 발생하는 압력 강하를 이용하여 유량을 계산 이물질이 함유되어 있는 유체에도 사용이 가능하고 손실수두가 작음
가격이 비쌈
𝑪𝒅= 𝟎. 𝟗𝟖𝟓𝟖 − 𝟎. 𝟏𝟗𝟔𝜷𝟒.𝟓
𝜷 = 𝐝𝐢𝐚𝐦𝐞𝐭𝐞𝐫 𝐫𝐚𝐭𝐢𝐨 = 𝒅/𝑫
Fluid measurement
오리피스계 (Orifice meter)
물이 담겨져 있는 수조의 분출 유속 및 유량을 측정하는 경우 관로의 도중에 부착하여 전후의 압력차를 이용하여 유량을 계산 제작이 용이하고 가격이 저렴
이물질이 함유되어 있는 경우 사용이 불가능하고 손실수두가 크다
Fluid measurement
오리피스계 (Orifice meter)
물이 담겨져 있는 수조의 분출 유속 및 유량을 측정하는 경우 관로의 도중에 부착하여 전후의 압력차를 이용하여 유량을 계산 제작이 용이하고 가격이 저렴
이물질이 함유되어 있는 경우 사용이 불가능하고 손실수두가 크다
②
①
𝐴0 𝐴2
𝐴1
𝑑 𝐷2
𝐷1
단면 1, 2 사이에 베르누이 방정식 적용
𝑝1
𝛾+𝑣12
2𝑔+ 𝑧1=𝑝2
𝛾+𝑣22
2𝑔+ 𝑧2
Q = 𝐴1𝑣1= 𝐴2𝑣2 연속방정식
𝑣2= 1 1 − 𝐴𝐴21
2
∙ 2𝑔 𝑝1
𝛾+ 𝑧1 − 𝑝2
𝛾+ 𝑧2
𝑝1
𝛾+ 𝑧1 − 𝑝2
𝛾+ 𝑧2 = ℎ
𝑣2= 2𝑔ℎ 1 − 𝐴𝐴21
2 A1 ≫ A2 인 경우 𝑣2= 2𝑔ℎ Torricelli의 정리
Fluid measurement
오리피스계 (Orifice meter)
물이 담겨져 있는 수조의 분출 유속 및 유량을 측정하는 경우 관로의 도중에 부착하여 전후의 압력차를 이용하여 유량을 계산 제작이 용이하고 가격이 저렴
이물질이 함유되어 있는 경우 사용이 불가능하고 손실수두가 크다
②
①
𝐴0 𝐴2
𝐴1
𝑑 𝐷2
𝐷1
실제 유동의 경우 점성과 오리피스 입출구 형상 등의 요인으로 속도가 이론값보다 작아진다.
𝑣2𝑎= 𝐶𝑣× 𝑣2
𝐴2= 𝐶𝑐× 𝐴0 실제 출구 속도
실제 유동 면적
𝑄 = 𝐴2𝑣2𝑎= 𝐶𝑐𝐶𝑣𝐴0𝑣2= 𝐶𝑑𝐴0𝑣2=𝑪𝒅𝝅 𝟒 𝒅𝟐 𝟐𝒈𝒉 𝟏 − 𝑪𝒄𝟐𝒅𝟒 𝑫𝟒 실제 유량
Cc: 수축계수 Cv: 속도계수 Cd: 유량계수
물의 경우 유량계수는 0.59~0.6정도의 값을 갖는다
Fluid measurement
피토우관 (Pitot tube)
직각으로 굽은 유리관으로 유체의 압력과 유속 측정이 가능 측정범위가 1 m/s 이상의 아음속 유동에 사용
전면의 구멍을 통해 압력을 측정 – 구멍의 개수에 따라 측정 용도가 다양 부유물질이 적은 대형관에서 효율적인 유량측정기
1, 2 사이에 베르누이 방정식 적용
𝑃0
𝛾+𝑉02 2𝑔=𝑃𝑆
𝛾+ 0 = 𝑧 + ℎ
②
①
ℎ =
= 𝑧
𝑉0= 2𝑔ℎ
Fluid measurement
피토우 정압관 (Pitot static tube)
직각으로 굽은 유리관으로 유체의 압력과 유속 측정이 가능 측정범위가 1 m/s 이상의 아음속 유동에 사용
전면의 구멍을 통해 압력을 측정 – 구멍의 개수에 따라 측정 용도가 다양 부유물질이 적은 대형관에서 효율적인 유량측정기
원주 방향으로 3~4개의 정압공: 정체압과 정압을 동시에 측정
1, 2 사이에 베르누이 방정식 적용
𝑃0
𝛾+𝑉02
2𝑔=𝑃𝑆
𝛾+ 0 𝑉0= 2𝑔(𝑃𝑆− 𝑃0)
𝛾 = 2(𝑃𝑆− 𝑃0) 𝜌
Manometer rule
𝑃0+ 𝛾𝑚ℎ𝑚− 𝛾𝑓ℎ𝑚= 𝑃𝑆 𝑃𝑆+ 𝛾𝑓ℎ𝑚= 𝑃0+ 𝛾𝑚ℎ𝑚 𝑃𝑠− 𝑃0= ℎ𝑚(𝛾𝑚− 𝛾𝑓)
𝑉0= 2𝑔(𝑃𝑆− 𝑃0)
𝛾 = 2𝑔ℎ𝑚(𝛾𝑚− 𝛾𝑓) 𝛾𝑓
Fluid measurement
피토우 관/피토우 정압관
원주 방향으로 3~4개의 정압공: 정체압과 정압을 동시에 측정
