유체기계 특론

1. 유체기계 특론 박 용 철 충남대학교 공과대학 기계공학과

2. 터보 기계 (1) • 정의:연속적으로 움직이는 유체로부터 에너지를 뽑아내거나 혹은 그것에게 에너지를 주는 모든 기계장치 • 비연속적인 흐름인 경우는 용적 유체기계라고 한다. • 용적기계는 밀폐된 공간에 유입된 유체의 유입부나 유출부가 주기적으로 분리되어 에너지를 전달한다. • 터보 기계의 종류

3. 터보기계의 형식과 모양

4. 터보 기계 및 용적식 기계의 비교

5. 유체기계의 정의 및 분류 (1) • 유체기계의 정의 • 물 또는 공기와 같은 점성이나 압축성을 가지는 실제 유체를 취급하는 기계로서 • 유체 에너지를 기계적 에너지로 변환하든가 또는 기계적 에너지를 유체 에너지로 변환하는 기계 • 유체기계의 분류 <취급유체의 종류에 의한 분류> 유체- 액체- 액체기계- 수력기계 (물) 기체- 기체기계- 공기기계 (공기)

6. 유체기계의 분류 (2) • 유체의 유동방향에 의한 분류 • 반경류형(radial flow type):유체가 축에 수직한 방향으로 흐름 • 축류형(Axially flow type): 유체가 축과 동일한 방향으로 흐름, 축류 수차, 축류 펌프, 축류 송풍기 • 혼류형(mixed flow type): 유체가 축의 원추면 상으로 흐름. 회전차 출구에서 유동방향이 반경류 성분만 있는 것을 혼류형 또는 Francis 형, 반경류와 축류형을 함께 가지고 있는 것을 사류형

7. 유체기계의 분류 (3) • 유체기계의 구조에 의한 분류 • 수평형 (horizontal type)과 수직형 (vertical type) - 축 형상 • 밀폐형 회전차 (closed impeller)와 개방형 회전차(open impeller) - 회전차 형상 • 분할형 (sectional type),원통형 (cylindrical casing)과 상하 분할형 (split type) - 케이싱 형상

8. 유체기계의 분류 (4) • 유체기계의 에너지 변환과 결합형식의 분류 • 유체 에너지를 기계적 에너지로 변환 : 수차, 풍차, 유압모터 • 기계적 에너지를 유체 에너지로 변환 : 펌프, 송풍기, 압축기 • 상기의 방식을 조합하여 1개의 목적으로 사용 : 유체 커풀링, torque converter • 기타 유체기계의 응용기계 : 유체동력 제어기기, 유압장치, 유압프레스

9. 유체기계의 분류 (5) • 유체기계의 작동원리에 의한 분류 • 터보 기계(Turbo machinery) : 회전차의 회전력에 의해 에너지 전달, 소형, 경량, 대동력형에 적합-반경류형, 축류형, 혼류형 • 용적식 기계(positive displacement machinery): 피스톤 또는 로우터 등의 용적배출작용에 의해 정압으로 에너지 전달, 큰 힘을 필요로 하는 경우에 적합-왕복동형, 회전형 • 그 외의 유체기계(miscellaneous fluid machinery): 특수한 작동원리-재생펌프, 제트펌프, 기포펌프

10. 유체기계의 형식상 분류 (6)

11. 과제 1 • 유체기계를 다음의 분류 방식으로 분류하고 설명하시오 -. 유체의 유동방향 -. 유체기계의 구조 -. 에너지의 변환과 결합 -. 작동원리 -. 형식상의 분류 제출일자: 3/22/2004

12. 특수 펌프

13. 단위 환산 • 힘 또는 중량 (N): = 질량 x 중력가속도 1kgf= 1kgm x 9.8 m/s2=9.8 kgm-m/s2=9.8 N • 밀도=1000 kgf/m3 , 비중량: 9800N/m3 • 압력 (Pa)=1N/m2 1atm=1.013 bar=1.013 x105 Pa=760 mmHg =1.033 kgf/cm2=1.033 x 10 mAq =14.7 psi • 일 또는 열량 (J)=1N-m 1kgf-m=9.8N-m 1kcal=4186 J (N-m) • 동력 또는 공율 (J/s) 1J/S=W (Watt) 1PS=735.5 W 1HP=745.7 W

14. 수력기계의 차원해석 • 차원해석의 목적 • 모델 기계의 시험을 통해서 원형기계의 성능을 예측 • 주어진 수두, 속도 및 유량에서 최적의 유체기계형태를 선정

15. 차원해석

16. 차원해석

17. 수력 기계의 성능곡선 Turbine Pump

18. 수력효율 • 터빈의 수력효율의 정의 (유체 E  기계 E) 러너에 실제로 전달된 동력 = 러너가 사용할 수 있는 동력 • 펌프의 수력효율의 정의 (기계 E  유체 E) • 출력 • = • 입력

19. 모델시험 • 모델 시험의 목적 실제 크기의 장치를 설치하기 전에 모델을 만들어서 시험하고 이로부터 기계의 특성에 관한 많은 정보를 획득하기 위함. • 모델 시험의 조건 • 모델과 원형의 기하학적 상사성 • 모델과 원형의 운동학적 상사성 (상응점의 속도비가 위치에 관계없이 항상 일정) • 모델과 원형의 역학적 상사성 (상응점의 힘의 비가 위치에 상관없이 항상 일정 • 기하학적 상사와 역학적 상사를 만족하면 운동학적 상사성을 가진다. • 모델시험의 세가지 조건을 만족하기 위해서는 무차원 그룹의 값이 같아야 한다.

20. 압축성 유체기계의 압축과 팽창 Turbine Compressor

21. 압축성 기계의 무차원 해석 (1)

22. 압축성 유체기계의 특성

23. 원형과 모델의 효율 • 원형 (p, prototype)과 모델 (m, model)이 상사관계에 있는 경우 무차원 그룹이 같아야 하므로 다음과 같이 표시할 수 있다. 러너에 실제로 전달된 동력 = 러너가 사용할 수 있는 동력

24. 무차원 비속도 • 유체기계의 형태가 달라지면 그 특성도 달라진다. • 그 특성을 표시하는 값이 무차원 비속도이며 이에 따라 기기가 선정된다. • 펌프가 설계되면 효율이 최대가 되는 점은 한 점밖에 없으며 이는 수두계수와 유량계수에 의해 결정된다. • 이 경우의 최대 효율점에 해당하는 수두계수와 유량계수를 각각 , 라 하면 무차원 비속도 ( )는 다음과 같으며 단위는 회전수의 단위 (rev, rad)를 따른다. • 수차의 경우는 유량계수 대신에 동력계수가 적용된다. , 유량계수를 직경에 대해 표시하고 이를 수두계수에 대입하면 , , , ,

25. 수력 펌프의 성능곡선 (2)

26. 수력펌프의 무차원 회전차에 따른 특성

27. 비속도 • 실제로 사용하는 경우에는 중력가속도 ( )를 빼고 사용하는 경우가 많으며 이를 비속도라 한다. 이는 무차원 비속도와 다른 값을 가진다. • 그리고 무차원 비속도를 표시하는 N, H 및 Q의 단위도 일관성 없이 사용되므로 비속도의 값이 주어진다면 어떠한 정의 하에서의 값인지를 확인하여야 한다.

28. 과제 2 • 아래 표에서 비속도와 무차원 비속도의 상수를 각각 구하시오 • 제출일자: 3/22/2004

29. 비속도와 무차원 비속도의 상수

30. 수차의 무차원 비속도에 따른 특성

31. 유체기계의 무차원 비속도값

32. 수차의 회전차

33. 연속방정식 • 어떤 검사체적을 통과하는 정상유동에서 질량유량은 일정하다. • 유체의 흐름형태 -. 층류/난류 -. 실제유체/이상유체 (비압축성, 비점성) -. 정상류/비정상류 -. 가역류/비가역류 -. 등류/비등류 -. 회전류/비회전류 -. 정상류의 조건

34. 에너지 방정식 • 에너지 보존법칙 = 열역학 제 1의 법칙 • 어떤 검사체적을 통과하는 정상유동에서 계에 유입되는 열량이과 외부에 수행한 일이 있는 경우 에너지 방정식은 다음과 같다.

35. 뉴턴의 운동법칙 • 터보기계가 각속도 로 운전하는 경우의 출력 • 검사체적에 가해진 모든 힘들의 합은 검사체적 내의 운동량의 시간 변화율과 같다. • 검사체적에 가해진 모든 토오크의 합은 검사체적 내의 각운동량의 시간 변화율과 같다.

36. 엔터로피 • 유체 운동이나 중력의 영향이 없는 경우, 열역학 제 1법칙은 다음과 같다. • 열역학 제2의 법칙 • 가역단열과정을가지는 유체계에서의 엔트로피의 변화는 0, 비가역 단열변화인 경우 엔트로피는 증가하거나 감소한다. • 가역과정에서의 열역학 제 2법칙