2.5 회전펌프

1. 2.5 회전펌프 • 회전펌프(rotary p’p)는 한 개 또는 두 개의 회전자(rotor)의 회전 운동에 의하여 유체를 이송하는 펌프 • 왕복 펌프와 달리 고장 나기 쉬운 밸브를 내장하고 있지 않고, 회전운동을 하므로 고속운전이 가능하고, 따라서 무게 및 부피가 작은 이점 • 펌프의 효율은 왕복펌프에 비하여 약간 낮으나 자흡(自吸, self-priming)성능도 좋고 유류와 같은 점도가 큰 용액을 이송하는데 적합 • 선박용으로는 윤활유 및 연료유 펌프로서 사용되며 최근에는 특히 유압기계에 널리 사용하게 되었다. • 회전펌프의 종류 • 운동상태에 따라 2종류로 대별할 수 있다. 즉, 치차식(gear type)이나 스쿠류식(screw type)과 같이 순수한 회전운동만을 하는 것과 ,또 하나는 캠피스톤식(cam piston type)이나 베인식(vane type)과 같이 운동부분에 왕복 또는 요동이 있는 것 등이다. • 회전하는 로터(rotor)의 수에 따라서 1개식(abatement p’p), 2개식(치차펌프, lobe p’p), 3개식(Imo p’p)등이 있다. • 로터 기구상의 형식에 의하여 분류하면 치차펌프, 나사펌프, 베인펌프, 로브펌프, 회전 플런저펌프 등으로 나눌 수 있는데, 이 중에서 회전플런저 펌프는 플런저의 왕복운동에 따라 왕복펌프에 포함시키기도 한다. • 이들 중에서 액압펌프 및 액압 모터에 사용되는 것은 치차형, 나사형, 베인형, 회전플런저형 등이다.

2. (2) 치차펌프(gear p’p) • 치차 펌프는 두개의 치차가 케이싱 속에서 서로 맞물려 회전하면서 액체를 흡입측에서 송출측으로 이송하는 펌프 • 치의 곡선으로는 일반적으로 인볼류트(involute)곡선이 채용되고 있다. 평치차(spur gear)와 헬리칼 치차(single helical gear), 2중 헬리컬 치차(double helical gear, herringgone gear)등이 있다. • 평치차는 주로 소용량 펌프용이며 헬리컬 치차는 축방향으로 추력을 발생하는데 2중 헬리컬 치차는 이것을 상쇄하는 이점이 있다. 또한 헬리컬 치차나 2중 헬리컬 치차는 동시에 무는 치수가 복수이고 또한 무는 점이 매끄럽게 치면을 따라 이동하므로 운전이 원활하게 행하여지는 이점이 있다. • 2-1. 외접식 치차 펌프 • (가) 평치차 펌프: • 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. 그림 2.76(a) 외접식 평치차 펌프

3. 그러나 송출측까지 운반된 유체의 일부(매우 미소한 양)은 두 치차가 맞물릴 때 두 치차의 틈새에 갇혀서 다시 흡입측으로 되돌아 오는데 이것을 폐쇄 작용이라 한다. • 인볼류트 치차가 2개소의 무는 구간에서 갇혀지는 부분을 형성하는데 갇혀진 용적은 그림2.76(b) 와 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. - 이러한 갇혀진 액을 방지하는 방법으로는 다음과 같은 것이 있다. ① 치가 무는 부분에 면한 덮개 이면에 그림 2.76(c)와 같이 홈을 가공하고 홈을 통하여 고압 발생부분을 토출측에, 진공 발생부를 흡입측에 각각 연락하여 토출로 넘치게 하고 흡입측으로부터 보급을 행한다. 그림2.76(b) 치차 펌프의 갇혀진 액 그림2.76(c) 치차 펌프의 갇혀진 액 방지용 홈

4. ② 그림2.76(d)과 같이 고정축에 홈을 가공하고 여기에 조립한 종동 치차에 구멍을 뚫는다. ③ 2중 헬리컬 치차로 하면 닫혀지는 공간의 변화량이 평치차 보다 작게 된다. ④ 그림2.76(e)과 같은 연속 치형 곡선으로 하여1점에서 물도록 하여 닫혀진 공간을 만들지 않도록 한다. 그림2.76(e) 연속 치형 곡선 그림2.76(d) 갇혀진 액 방지용 공

5. (나) 헬리컬 치차 펌프: • 헬리컬 치차 펌프는 평치차 펌프에 비해 두 치차의 맞물림이 좋아서 평치차 펌프보다 고속 운전이 가능하고, 기름은 물론 물과 같이 윤활성이 없는 액체를 이송하는 데에도 이용할 수 있다. • 또 헬리컬 치차 펌프는 평치차 펌프와는 달리 이뿌리 부분의 액체가 순차적으로 빠져나갈 수 있으므로 압축과 흡입 작용이 생기지 않는 이점이 있다.

6. (다) 로브형 치차펌프 - 치차펌프와 똑 같은 원리로 유체를 압출하는 것에 로브 펌프(lobe pump)가 있으며 일명 루트펌프(root pump)라고도 한다. • 이것은 치차 펌프의 치수를 적게 한 것이라고 볼수 있는데 그림2.79(a)는 2로브형이고, 그림(b)는 3로브형이다. • 치차 펌프에 비하여 치수가 적기 때문에 송출량의 맥동은 피할 수 없다. • 이 펌프는 한편의 로터가 맞물림으로써 상대방을 회전시킬수 없으므로 외부에 있는 별도의 치차에 의하여 상대방을 구동한다. 그림 2.79 로브 펌프 - 일반적으로 비중이 큰 액체보다는 공기와 같은 비중이 가벼운 기체의 송출용으로 많이 이용된다. 2사이클 디젤기관의 소제공기 펌프(scavenging pump)로 사용되기도 한다.

7. 2-2. 내접식 치차 펌프 • 그림2.81은 내접식 치차 펌프의 일종인 트로코이드 펌프(trochoid pump)의 구조를 나타낸다. • 이 수가 6개인 외치차 A와 이 수가 7개인 내치차 B는 맞물려서 같은 방향으로 회전하면서 펌프 작용을 한다. • 두치차 사이의 체적은 한쪽 반원에서는 감소하고 나머지 반원에서는 증가하므로 회전자의 측면에 접하는 케이싱에 마련된 원호상의 흡입구로부터 그림 2.81 트로코이드 펌프 유체를 흡입하여 송출구로 밀어내게 된다. - 유체로 채워져 있는 공간 x,y,z 및 z’, y’, x’의 체적변화가 연속적으로 일어나며 차차 사이의 상대속도가 외접식 치차 펌프에 비하여 매우 작으므로 송출 유량의 맥동 및 소음이 작은 것이 특징이다. 그림 2.80 내접식 및 외접식 치차펌프

8. (3) 나사 펌프 • 나사펌프(screw p’p)는 나사 모양의 회전자를 케이싱 속에서 회전시켜서 케이싱과 나사 사이에 갇힌 유체를 축방향으로 이송하는 펌프 - 나사봉의 수는 1개, 2개, 3개의 3종류가 있고 1개의 경우는 그림2.82(a)와 같이 하나의 축에 나사를 가공하고 이것에 끼워진 원통내에서 축을 회전시키는 것으로서 이것은 점성펌프로서의 작용을 한다. 그림 2.82(a) 단일 나사 펌프 • 그림2.82(b)은 두 개의 나사봉을 맞물려서 서로 반대방향으로 회전시킴으로써 한쪽 나사 골 안의 액체를 나사산으로 밀어내는 방식이다. 이것의 대표적인 것으로서는 미국의 Quimby펌프가 있다. • 동체의 중앙에 액체의 입구가 있고 액은 좌우로 갈라져서 봉의 양끝으로 가며 여기에서 양 나사봉의 물림에 들어가 나사봉의 회전과 함께 다시 중앙에 모여 반대 쪽으로 나간다. 그림 2.82(b) Quimby 펌프

9. 그림 2.82(c)는 가장 대표적인 나사 펌프인 IMO펌프인데 평행 3축형 나사펌프를 보인다. • 주 나사와 이것에 물리는 2개의 종나사가 대칭적으로 조합되어 있고, 서로 반대방향으로 회전함으로써 나사골 안에 있는 액을 밀어낸다. • 이 때 종나사는 액압에 의한 회전력을 받지 않도록 설계되어 있기 때문에 주나사에서 종나사로의 힘의 전달은 이루어지지 않는다. • 따라서 두 나사 사이에 치차 장치를 할 필요가 없다. 그림 2.82(c) IMO 펌프 ① 종나사가 주나사로부터 동력을 받지 않고 자전하므로 치차 펌프와 같이 치면의 손상이 없고 효율이 양호하며 또한 수명이 길다. ② 종나사는 주나사에 접하도록 작용하여 액의 실(seal)작용을 하여 누설이 적으므로 체적 효율이 크다. ③ 나사를 길게 하여 권수(卷數)를 많이 하면 마찰손실 증대에 비하여 누설방지 작용이 크게되고 따라서 고압이라도 효율이 양호하다. ④ 나사 외경이 작으므로 고속 회전이 가능하다. 따라서 비교적 소형으로 대용량이다. ⑤ 액이 축방향으로 유동하므로 흡입측의 난류유동이 적고 흡입 실양정을 높게 할 수 있다.

10. (4) 베인 펌프(vane pump) • 원통형 케이싱(casing)과 이에 내접하여 회전하는 원주형의 회전자(rotor) 및 회전자 원주면에 가공된 홈에 있는 평판형 날개(vane)로 구성되어 있다. • 회전자가 회전하면 회전자의 원주면에 가공된 홈의 내부에 있는 베인이 원심력에 의하여 케이싱의 내면에 밀착하여 회전한다. • 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. 그림 2.83 베인 펌프 • 이 형식의 펌프의 장점은 • 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

11. 2.2 특수 펌프 • 마찰펌프(friction pump) • 마찰펌프, 오류펌프(vortex p’p), 또는 제작 회사명을 따라 웨스코 펌프(Wesco p’p), 재생펌프(regenerative p’p)라 부른다. • 회전 원판의 원주에 깃의 역할을 하는 다수의 홈이 새겨져 있는 회전차와 케이싱으로 구성. 흡입구에서 송출구에 이르는 케이싱 원주의 일부는 세로 단면을 협소하게 만들어 작동 유체의 역류를 방지한다. • 다수의 홈을 갖는 회전차를 회전시키면 케이싱내에 연속적인 와류가 발생하고, 이 때 난류마찰에 의하여 회전차와 케이싱 사이에 있는 유체는 회전차에 강하게 구속되어 송출구까지 이송 • 이 펌프는 1개의 소형 로터로서 우수한 여러 단의 원심펌프에 필적하는 양정을 낼수 있으므로 소용량, 높은 양정에 널리 사용

12. (2) 분사펌프(jet pump) • 노즐을 통하여 유체를 분출함에 따라 발생하는 진공압을 이용하여 유체를 흡인(吸引), 이송하는 장치 • 이 펌프의 장점은 ① 운동 부분이 없으므로 고장의 우려가 적다. ② 형태가 작아서 설치공간이 작아도 되낟. ③ 흙탕물, 오수 등을 이송하는데 사용해도 지장이 없다. • 그러나 펌프 효율이 10-20%정도로 낮은 것이 결점 • 제트펌프는 일반적인 액체 수송용 펌프로서의 역할보다는 밀폐 용기 내부의 진공을 유지하는 경우와 같이 특수한 용도로 많이 이용

13. (3) 기포 펌프(air lift pump) - 압축공기를 공기관을 통하여 양수관 속으로 혼입시키면 양수관속은 물보다 가벼운 기-액 혼합체로 되므로 부력의 원리에 따라 관외의 물에 의하여 양수관 입구의 물을 밀어 올린다. • 이 펌프는 구조가 간단하여 물 속에 이물질이 많이 포함되어 있어도 고장날 우려가 거의 없는 것이 장점 • 또, 물을 이송하는 도중에 물 속에 공기를 다량 용해시킬 수 있는 특징이 있다. • 그러나 펌프의 효율이 낮은 것(15-30%)이 결점 • 기포펌프는 오수 처리 장치에서 오수 이송용 펌프로 또는 어류 양식장에서 물 순환용 펌프로 사용되기도 한다.