【유체역학】 8강. 유압기기

8강. 유압기기

 

추천글 : 【물리학】 유체역학 목차

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1. 개요 [본문]

2. 유압펌프 [본문]

3. 유압제어밸브 [본문]

4. 액추에이터 (작동기) [본문]

5. 작동유 (유압유) [본문]

6. 기타 부속기기 [본문]

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1. 개요 [목차]

⑴ 종류 1. 유압기기 : 유체를 이동시키는 기계

① pump, vacuum pump

② fan, blower (e.g., country elevator), compressor

○ fan : 저압에서 작동

○ blower : 중간 압력에서 작동

○ compressor : 고압에서 작동

③ screw : 유체 이동에 의한 반발력을 이용함

④ hydraulics : 유압식 (화재 위험, 환경 비친화적), 수압식

⑤ pneumatics : 공압식 (자동차 제작시 자주 사용. 환경 친화적)

⑵ 종류 2. 유압 발전기 : 유체로부터 동력을 얻는 기계

① 일반 터빈

② 풍차

③ 수차

⑶ 유압기기 분석

① 유체의 각운동량 변화 = 축에 작용하는 토크

② 유체의 속도 = impeller의 속도 (원운동) + impeller에서 보는 유체의 속도

○ impeller 깃의 방향으로 운동

③ 설계 지침 : 펌프 입구에서 유체는 반경방향으로 흘러들게 함

○ 각도 방향으로 유속이 있으면 속도가 커져서 흡입 압력이 낮아짐

④ turbomachinery analysis - affinity laws

○ 가정 : 기하학적인 상사성과 같은 형태의 속도 프로파일

○ size scale : D'/D = b'/b

○ velocity scale : u'/u = v'/v = ω'D'/ωD

○ flow rate scale : Q'/Q = (D'/D)³ ω'/ω

○ water head scale : H'/H = (D'/D)²(ω'/ω)²

○ power scale : P'/P = (D'/D)⁵(ω'/ω)³

 

 

2. 유압 펌프(pump) : 양수기라고도 함 [목차]

⑴ 종류 1. PDP(positive displacement pump) : 실린더 타입이 대표적

① 정의 : 압력에 관계없이 유량이 일정

○ 실제 PDP 펌프에서는 실린더 내 피스톤의 틈을 통해 유량이 빠져 나가므로 수직선은 아님

○ μ가 클수록 빠져 나가는 유량이 적으므로 출력 유량은 커짐

○ 일정한 유량을 내보내느라 지나치게 고압 조건이 생길 수 있어 relief valve를 함께 설치

○ 예 : 출구 부분이 이물질로 막혀 있는 경우

○ 출력이 정교하므로 공업 기계에서 자주 사용

② 종류

○ reciprocating

○ piston

○ plunger

○ diaphragm

○ rotary

○ single roter (vane, screw, peristaltic)

○ multi rotors (gear, lobe, screw 등)

③ 구조

○ stuffing box

○ packing

○ shaft

○ shaft sleeve

○ vane

○ casing

○ eye of impeller

○ impeller

○ casing wear ring

○ discharge nozzle

○ 송수면

○ 송출관

○ 전양정

○ 압력계

○ 전동기

○ 송출밸브

○ 흡입관

○ 흡수면

○ 푸트 밸브

○ 스트레이너

⑵ 종류 2. dynamic pump(turbo pump) : 방사형 impeller 타입이 대표적

① 정의 : 압력이 커질수록 유량이 감소

○ μ가 작을수록 압력차에 의한 유체 이동이 원활하므로 출략 유량은 커짐

○ 고장의 위험이 적으므로(cf. Relief Valve) 농업 기계에서 자주 사용

② 종류

○ rotary

○ 원심(centrifugal, radial flow)

○ 축류(axial flow)

○ 사류(혼합류, mixed flow)

○ special design

○ jet pump

○ electromagnetic pump

○ fluid actuated : gas lift, hydraulic ram

⑶ 종류 3. 송풍기(fan)

① 원심(centrifugal fans)

○ forward curved impellers

○ backward curved impellers

○ radial impellers

② 축류(axial fans)

○ propeller fans

○ uube-axial fans

○ vane-axial fans

③ special type fans

○ 압축기(compressor)

○ vacuum pump

⑷ 펌프의 성능곡선

① 성능요소 1. 양정(head)

○ 양정(head) : 압력을 물의 높이로 나타낸 것

○ 유효흡입양정(NPSH, net positive suction head)

○ 여유 유효흡입양정(NPSHa, NPSH available) : 실제로 펌프 위치를 높이는 데 있어 현 상태에서 공동현상이 일어나기 직전까지의 흡입부에서 유효한 여유 압력

○ 요구 유효흡입양정(NPSHr, NPSH required) : 펌프 내부 중 압력이 최소로 되는 지점과 입구에서 압력 차이. 유량에 따라 달라짐

② 성능요소 2. 유량

○ 기어펌프의 이론 송출량 (무부하유량)

 

 

○ m : 모듈

○ Z : 잇수

○ b : 잇폭 (mm)

○ N : 회전수 (rpm)

○ 기어펌프의 실제 송출량

 

 

○ η_v : 체적효율

③ 성능요소 3. 동력

④ 성능요소 4. 동력(power)

⑤ 성능요소 5. 펌프의 비속도

 

 

○ 비속도는 단위 유량과 단위 압력을 나타낼 때의 회전수라는 의미를 가진다.

○ 비속도는 회전차의 형태와 관련이 있기 때문에 펌프를 구분하는 인자로 사용된다.

○ 비속도는 무차원 수가 아니므로 사용하는 단위계에 따라 다른 값을 나타냄

⑥ 펌프의 성능곡선

○ 유체기계는 동일한 구조로 다양한 스펙을 구현하며 기하학적으로 상사한 특성을 가지는 경우가 많음

○ 동일한 형태의 경우 여러 크기의 펌프의 성능곡선을 하나로 나타내기도 함

○ 형태 : 가로축 송풍량, 세로축 압력손실

○ 유체 저항이 증가하면 펌프의 송출량이 감소

○ 원심펌프의 경우 위로 볼록한 감소함수를 그림

○ 측정방법

○ 펌프의 성능은 회전차의 속도에 따라 변함

○ 성능곡선은 설계시 정한 회전수로 고정한 상태에서 성능을 측정

⑦ 펌프의 오작동

○ 공동현상(cavitation) :

○ 유속이 빨라지는 지점에서 압력이 과도하게 낮아져 액체의 수증기 분압보다 낮아질 때에 기체로 변했다가 다시 유속이 느린 부분에 이르러 액체로 변하면서 충격파가 발생하는 현상

○ 기포가 발생. 소음과 부품 표면의 파괴 발생

○ 워터해머링(water hammering)

⑸ 펌프 시스템(pump system)의 시스템 곡선

① 펌프를 작동하는데 관계되는 모든 배관과 밸브, 작동요소 및 액체의 흡입부와 송출부를 포함함

② 펌프 시스템의 제어 : 유량제어, 압력제어, 방향제어(유속 방향), 기타(유체온도 등)

○ 위치에너지를 결정하는 요소

○ 압력손실을 결정하는 요소 : 관의 굵기, 길이, 거칠기, 관의 연결부, 유량을 제어하는 밸브

○ 압력을 결정하는 요소 : 정해진 유로를 따라 원하는 유량을 보낼 때 발생하는 압력손실 또는 요구되는 압력으로 압력은 펌프가 결정하는 것이 아니라 시스템이 요구하는 것이며 펌프는 이에 대응하는 것이다. 즉 결정요소는 유량과 배관, 흡입부와 송출부의 위치가 됨

③ 시스템 성능곡선

○ 정의 : 시스템에 가해지는 유체의 양과 압력에 대한 곡선

○ 풍량비(specific flow rate) : 대상물의 단위부피당 또는 단위무게당 송풍량

○ 최소풍량비(안전풍량비) : 대상물의 변질 없이 상온통풍 및 건조할 수 있는 최소한의 풍량비

○ 형태 : 일반적으로 유량이 증가할수록 압력강하가 증가

○ 펌프의 성능곡선과 시스템 성능곡선의 교점이 작용점

④ 펌프의 작동점(pump operation point)

○ 펌프는 시스템이 요구하는 유량-압력 곡선과 펌프의 특성곡선 중 유량-압력 곡선이 일치되는 점에서 작동하게 된다.

○ 시스템의 유량-압력 곡선은 일반적으로 곡선상의 한 점이 아니라 일정한 범위(즉, 밸브의 작동범위)이다.

○ 가장 이상적인 작동점은 펌프의 최고 효율점이다.

○ 시스템의 유량-압력 곡선은 기본적으로 정적인 압력(송출부와 흡입부 간의 위치에너지)과 유량에 따른 마찰손실로 구성

○ 배관 내 흐름 특성에 따라 시스템 곡선의 형태는 달라짐 (난류 vs 층류)

○ 난류일 경우 소음과 진동이 유발되므로 가급적 기피함

⑤ 펌프의 작동점과 수명

○ 펌프의 작동점은 에너지 효율만이 아니라 펌프의 수명과도 밀접한 관계

○ 펌프 수명에 영향을 주는 현상: 공동현상, 펌프 내부의 순환유량 방생, Impeller의 힘 균형 등

○ 신뢰곡선은 사용시간과 작동유량 간의 관계를 확률분포 곡선으로 나타낸 것

⑹ 펌프의 제품화 : 동일한 제품이지만 다양한 압력과 유량을 제공하도록 제품군을 형성

 

 

3. 유압제어밸브 [목차]

⑴ 압력제어밸브

① 정의 : 압력에 의한 힘을 조절하여 일의 크기를 결정. F = PA와 관련

② 종류 1. 릴리프 밸브(relief valve)

③ 종류 2. 시퀀스 밸브(sequence valve)

④ 종류 3. 카운터 밸런스 밸브(counter balance valve)

⑤ 종류 4. 언로우더 밸브(unloader valve)

⑥ 종류 5. 압력 스위치

⑦ 종류 6. 리듀싱 밸브(reducing valve)

⑵ 유량제어밸브

① 정의 : 단면적을 조절하여 유속을 적절하게 조절함. Q = AV와 관련

② 종류 1. 니들 밸브

③ 종류 2. 초크 밸브

④ 종류 3. 드로틀 밸브(throttle valve)

⑤ 종류 4. 미터 인 회로(meter in circuit)

⑥ 종류 5. 미터 아웃 회로(meter out circuit)

⑦ 종류 6. 블리드 오프 회로(bleed off circuit)

⑧ 종류 7. 감속 밸브(deceleration valve)

⑨ 종류 8. 차동회로

⑩ 종류 9. 전기유압 서보밸브 : 유량, 유압 조절 밸브

⑶ 방향제어밸브

① 정의 : 흐름의 정지, 변환을 조절

② 종류 1. 체크 밸브(check valve) : 역지 밸브라고도 함

③ 종류 2. 셔틀 밸브(shuttle valve)

④ 종류 3. 로터리 밸브(rotary valve)

⑤ 종류 4. 스풀 밸브(spool valve)

⑥ 종류 5. 고정조리개 붙이 체크 밸브

⑦ 종류 6. 급속 배기 밸브

⑧ 종류 7. 2 포트 2 위치 변환 밸브

⑨ 종류 8. 3 포트 2 위치 변환 밸브

⑩ 종류 9. 4 포트 3 위치 변환 밸브

⑪ 종류 10. 4 포트 조리개 변환 밸브

⑫ 종류 11. 5 포트 2 위치 변환 밸브 (파일럿 방식)

 

 

4. 액추에이터(actuator) : 작동기라고도 함 [목차]

⑴ 개요

① 정의 : 유체가 갖고 있는 에너지를 회전 및 직선 등의 기계적인 에너지로 전환하는 기기

② 센서(sensor) : physical parameter → electrical output

③ 액추에이터(actuator) : electrical input → physical output

④ 센서와 액추에이터를 통틀어 변환기(transducer)라고 함

⑵ 종류 1. 유압 실린더

① 사용 압력에 따라 : 저압용 (35 kg/㎠), 고압용 (140 kg/㎠), 초고압용 (210 kg/㎠)

② 지지 형식에 따라

○ 고정형 실린더 : 플루트형 (LA, LB), 플랜지형 (FA, FB)

○ 요동형 실린더 : 크레비스형 (CA, CB), 트라이온형 (TA, TB, TC)

⑵ 종류 2. 유압 모터

① 종류 2-1. 기어모터

② 종류 2-2. 베인모터

③ 종류 2-3. 요동 엑추에이터 : 로터리 실린더라고도 함

 

 

5. 작동유 (유압유) [목차]

⑴ 작동유의 구비 조건

⑵ 작동유의 종류

① 석유계 작동유 : 산업용, 항공기용

② 내화성 작동유 : 합성 작동유 (에스테르계), 함수형 작동유 (물 종류)

⑶ 작동유의 첨가제

① 산화 방지제

② 방청제

③ 소포제

④ 점도 지수 향상제

⑤ 유성 향상제

⑷ 작동유의 적정 온도 : 29 ~ 50 ℃

⑸ 작동유의 점도가 유압기기에 미치는 영향

 

 

6. 기타 부속기기 [목차]

⑴ 축압기(accumulator)

⑵ 증압기

⑶ 여과기

① 스트레이너

② 필터 : 표면식 필터와 적층식 필터로 구분

③ 여과기의 윤활방식 : 전류식과 분류식으로 구분

⑷ 오일탱크 및 패킹

⑸ 조인트 : 나사 조인트, 플랜지 조인트, 플레어 조인트, 바이트 조인트, 용접 조인트 등

⑹ 관 : 강관, 스테인리스강, 동관, 고무호스 등

⑺ 유압파워 유니트

① 바이패스 형

② 무부하 형

③ 온오프 형

⑻ 제어 방식

① 스프링 방식

② 파일럿 방식

③ 인력 방식 등 : 인력 방식 (기본), 레버 방식, 누름단추 방식, 당김 방식, 누름 당김 방식, 페달 방식

④ 기계 방식 : 누름 통 방식 (대표), 스프링 방식, 롤러 방식

⑤ 전자 방식 : 단일 코일형, 복수 코일형

 

입력: 2016.12.09 13:21

수정: 2020.08.11 21:21