설비보전기능사 필기 이론｜PART 01 공유압 및 자동제어｜유압기기(1) — Transcript

다음은 세 번째 유압 기기입니다.

유압 기기에서는 기름을 낮은 곳에서부터 높은 곳으로 끌어올려주는 이 펌프라는 것이 굉장히 중요한데요. 그래서 이 유압 펌프의 종류나 특징, 능력 이런 것들이 굉장히 중요하다고 볼 수 있겠습니다.

이 펌프의 능력은 이 양정과 송출량으로 나타내는데요. 이 양정이라고 하는 것은 흡입 수면에서 송출 수면까지의 수직거리로 나타냅니다.

오른쪽에 사이드에 보시면 용어 정리와 그림이 나와 있는데요. 여기 이 부분이 흡입 수면이고, 이 부분이 토출 수면입니다.

이 흡입 수면에서부터 토출 수면까지의 수직거리를 우리가 양정이라고 하는 거죠.

그리고 전양정과 실양정으로 따지게 되면 지금 말씀드렸던 양정을 실양정으로 볼 수가 있고요. 이 손실 수두, 토출관에서 나타나는 손실 수두와 그리고 흡입관에서 나타나는 흡입관의 손실 수두까지 따진 것이 전양정이 되겠습니다.

두 개로 구간으로 나누게 되면 펌프가 가운데쯤에 있는데요. 흡입 수면에서부터 펌프까지의 거리, 흡입 전양정이 되겠고요. 펌프에서부터 토출 수면까지의 거리 이 부분이 토출 전양정이 되겠습니다.

그러니까 이 전양정은 즉 토출 전양정과 흡입 전양정의 합이 되겠죠. 이 부분 알아두시면 되겠고요. 넘어가도록 하겠습니다.

자 그러니까 이 유체의 흐름이 이렇게 된다는 거죠. 이 위에 있는 이 유체의 위치 운동 에너지를 회전하는 수차를 통해서 기계적 운동 에너지로 바꿔주게 됩니다. 변환된 기계적 운동 에너지를 가지고 이 펌프를 통해서 끌어올려줌으로써 유체의 위치 운동 에너지로 우리가 변환시켜 주는 거죠. 그래서 유압 기기에서 가장 중요한 기기가 되겠습니다.

유압 펌프의 작용은 그래서 흡입 작용과 토출 작용으로 구분할 수가 있겠고요. 흡입하는 것이 흡입 작용, 밀어내는 것이 토출 작용이 되겠습니다.

그럼 유압 펌프의 종류가 중요하겠죠. 유압 펌프에는 우선 크게 용적형 펌프와 비용적형 펌프로 구분을 할 수가 있는데 구분하는 기준은 토출하는 양이 정해져 있느냐 아니면 가변할 수 있느냐, 변화시킬 수 있느냐 이것에 따라서 용적형 펌프와 비용적형 펌프로 구분할 수 있습니다.

토출 유량이 일정한 것이 용적형 펌프. 가변성이 있는 것이 비용적형 펌프로 보시면 되겠습니다.

자 그럼 용적형 펌프에는 또 왕복형 펌프와 회전 펌프로 나눌 수가 있는데요. 이 왕복식에서는 이 피스톤 펌프가 가장 대표적이고요. 회전하는 펌프 중에 기어 펌프와 베인 펌프로 나눌 수가 있습니다. 그래서 유압 펌프의 분류라고 하면 용적형 펌프에서 이 피스톤 펌프와 베인 펌프, 이 기어 펌프 이 세 가지를 물어보는 문제가 굉장히 많이 나오고요. 그 외에는 원심 펌프라든지 축류식 펌프, 사류식 펌프가 있는데 이것은 비용적형 펌프이므로

이것을 구분하는 문제가 자주 출제되니 정리해주기. 그러면 분류하는 문제 그리고 각각의 특징을 우리가 알아두어야 어떤 것이 기어 펌프인지 어떤 것이 베인 펌프인지 어떤 것이 피스톤 펌프인지를 구분하는 문제도 더러 출제가 됐습니다.

먼저 비용적형 펌프 보겠습니다. 터보형 펌프라고도 하고요. 우선 원심 펌프가 대표적인데요. 구조가 간단하고 고속 회전이 가능합니다. 효율이 굉장히 높고 맥동이 적습니다. 여기 회전하는 이런 펌프는 보통 맥동이 다 적다는 거 알아두시면 되겠습니다.

축방향에 대해서 약간 경사진 방향으로 송출되는 펌프도 있습니다. 그것이 사류 펌프가 되겠고요. 축방향으로 송출되는 펌프는 축류 펌프가 되겠습니다. 원심 펌프와 축류 펌프의 중간 특징을 가지고 있는 것이 사류 펌프라고 보시면 되겠고요.

원심 펌프의 종류 또 간혹 문제가 출제가 됩니다. 원심 펌프에는 볼류트 펌프와 터빈 펌프가 있는데요. 이 사이드에 보시면 이렇게 그림이 나와 있습니다. 볼류트 펌프는 이렇게 좀 간단하게 되어 있죠. 그래서 단단 펌프이고요. 터빈 펌프는 이 안내 날개가 추가되어 있고 조금은 복잡하게 생긴 것을 알 수가 있습니다. 그래서 이것은 다단 펌프가 되겠고요. 양정은 복잡한 터빈 펌프가 더 높겠죠. 펌프의 성능이 더 좋다고 보시면 되겠습니다.

그러니까 우리가 볼류트 펌프와 터빈 펌프를 구분할 때는 볼류트 펌프가 터빈 펌프보다 구조가 간단하니까 크기가 작고 안전 날개가 없고 양정은 낮고 임펠러 수는 하나만 있는 그런 단단 펌프라는 것을 알아주시면 되겠습니다. 이 두 개 분류를 하는 문제가 간혹 출제가 됐습니다. 원심 펌프, 사류 펌프, 축류 펌프 이렇게 비용적형 펌프가 있었고요.

다음은 용적형 펌프입니다. 이 용적형 펌프 굉장히 자주 출제가 되는데요. 용적형 펌프에는 우선 기어 펌프와 베인 펌프, 피스톤 펌프 이렇게 대표적으로 세 가지로 구분을 할 수가 있습니다. 용적형 펌프는 앞서 말씀드렸다시피 밀폐된 공간에서 일정한 양의 유체를 토출하는 펌프를 용적형 펌프라고 합니다. 토출량이 정해져 있다는 것이죠.

첫 번째 기어 펌프입니다. 기어 펌프는 한 쌍의 기어가 밀폐된 용적을 갖는 밀실 속에서 회전할 때 옆에 그림을 같이 보시면 이렇게 기어가 맞물리면서 흡입하고 토출하는 그런 형태가 되겠습니다. 기어 펌프는 비교적 각 구조가 간단하고 경제적이어서 많이 사용되는 용적형 펌프라고 보시면 되겠습니다. 그럼 그런 기어 펌프에는 외접, 내접, 로브 펌프, 트로코이드 펌프, 스크루 펌프 이런 것들이 있는데요. 우선 우리가 기억해 줘야 될 것은 기어 펌프에 외접, 내접, 로브 펌프 이런 것들이 있다라는 것을 우리가 기억해 두면 될 것 같고요.

키워드만 보시면 이 외접이라고 하는 것은 두 개의 기어가 지금 이 그림과 같이 바깥쪽이 맞물려 들어가는 그러니까 반대쪽으로 이렇게 회전하는 그런 기어 형태가 되겠고요. 내접이라고 하는 것은 이렇게 큰 기어가 하나 있고 안쪽에 작은 기어가 이렇게 물려 있는 그런 형태가 되겠습니다. 그래서 이것은 방향이 반대가 아니라 같은 방향으로 회전을 한다.

세 번째 로브 펌프와 같은 것은 세 개의 회전자라는 것이 키워드가 되겠습니다. 세 개의 회전자라고 함은 이렇게 이런 형태를 띈다는 거죠. 자 이거는 전 페이지에 나와 있는데요. 사이드에 보시면 이렇게 회전자가 3개의 회전자가 있는 것을 우리가 알 수 있습니다. 이런 특징을 가지는 것이 로브 펌프가 되겠습니다. 트로코이드 펌프, 스크루 펌프도 있으니까요. 기어 펌프에 속한다는 것을 알아두시면 될 것 같고요.

여기까지 기어 펌프에 대한 설명이었는데 기어 펌프에 기억해 주셔야 될 것은 가장 구조가 간단하고 경제적이라는 특징을 가지고 있다는 거 알아두시면 되겠습니다.

다음은 베인 펌프입니다. 베인 펌프는 우선 로터라는 것이 있는데요. 이렇게 큰 원에 이 로터가 안에 있습니다. 그럼 이 로터가 이렇게 회전하면서 유체를 토출하는 방식이 베인 펌프의 방식이 되겠는데요. 이렇게 회전하는 것들은 수명이 좀 길고요. 맥동이 적다는 특징을 가지고 있습니다. 그리고 동일 마력 및 토출량에서 형상 치수가 최소라는 거 굉장히 중요한 특징이라고 볼 수가 있겠습니다.

그리고 마지막으로 피스톤 펌프가 있는데요. 피스톤 펌프는 가장 큰 고압이나 고속 장치에 적합합니다. 그리고 효율이 가장 좋고요. 고가입니다. 복잡한 구조도 가지고 있고요. 그래서 비교를 하는 것이 중요한데요. 가장 좋은 것은 피스톤 펌프입니다. 효율이 가장 좋고 고가입니다. 복잡한 구조도 가지고 있고요. 이렇게 세 가지를 비교를 해야 되는데

펌프의 선정 방법 이렇게 쭉 나와 있습니다. 이거 넘어가시고요. 읽어 보시면 될 것 같습니다.

유압 펌프 성능 비교가 이렇게 나와 있는데요. 토출 압력부터 보겠습니다. 가장 높은 것은 피스톤 펌프입니다. 그리고 기어 펌프는 전반적으로 다 토출 압력이 높은데 베인 펌프가 이 기어 펌프와 피스톤 펌프 사이에 있다고 보시면 되겠습니다. 가장 높은 것은 피스톤 펌프가 되겠고요. 회전 펌프는 베인 펌프가 회전함으로 가장 고속이 되겠습니다. 피스톤 펌프는 토출 압력은 높지만 속도는 저속이라는 거 알아두시면 되고요. 그래서 구조는 피스톤 펌프가 토출 압력이 가장 높기 때문에 구조가 복잡하고 크기도 커지게 되고요. 매우 높은 정밀도를 요구하게 됩니다. 그에 반해서 기어 펌프는 가장 간단하고요. 베인 펌프는 그에 비해서 정밀한 제작이 요구되지만 피스톤 펌프보다는 구조가 복잡하지 않다. 하지만 기어 펌프보다는 조금 복잡하다라고 알고 계시면 되겠습니다.

그래서 효율은 피스톤 펌프가 고가이고 구조도 복잡하고 크기 때문에 가장 높다고 보시면 되겠고요. 효율은 기어 펌프가 95% 정도, 베인 펌프가 96~7% 정도 되면 피스톤 펌프는 98~99% 정도 되겠습니다. 기어 펌프가 간단하면서 효율도 비교적 높기 때문에 3개 비교했을 때 낮을 뿐이지 그렇게 낮은 편이 아닙니다. 그렇기 때문에 많이 사용한다는 거 알아두시면 되겠습니다. 다른 것들도 이렇게 피스톤 펌프가 가장 좋기 때문에 당연히 단점도 생길 수가 있다는 거 마모라든지 가격이라든지 이물질 영향이라든지 이런 것들이 단점이 될 수 있겠죠. 그래서 굉장히 고압에서만 사용을 한다. 굉장히 정밀한 제어일 때 사용을 한다라고 분류를 해 주시면 되겠습니다.

다음은 유압 펌프의 동력과 효율입니다. 먼저 수동력이 있는데요. 펌프를 우선 유체를 송출할 때 필요한 이론 동력입니다. 효율을 우선 고려하지 않은 동력이라고 보시면 되겠고요. 축동력이라고 하면 원동기가 펌프를 구동하는 실제 동력을 축동력이라고 합니다. 그러니까 이것은 효율을 고려했다고 보시면 되겠고요.

수동력을 구하는 공식이 이 아래에 있습니다. 우리가 알아야 될 공식은 수동력은 비중량 곱하기 유량 곱하기 양정이 되겠습니다. 그럼 비중량의 그 단위가 kg 중/m³이었고 유량의 단위가 m³/sec 양정이 m 단위가 됐었습니다. 그래서 이걸 계산하게 되면 이렇게 kg 중·m/s라는 단위가 나왔죠. 그럼 여기를 변환시켜 주게 되면 이렇게 분모에 75와 102가 붙는 것을 알 수가 있는데 단위 변환에 의해서 그렇습니다. 이 1PS와 1kW라는 단위가 있는데요.

1PS라고 하는 것은 마력을 뜻합니다. 1HP라고 하는 단위도 나오게 되는데 이 두 가지는 마력을 뜻합니다. 1PS가 국제 단위라고 보시면 되겠고요. 국제 마력. 1HP 마력은 영국에서 사용하는 그런 단위라고 보시면 되겠습니다. 그리고 1kW는 SI 단위죠. 자 그러면 우리가 가장 많이 사용하는 것이 1PS와 1kW가 되게 되는데요.

이렇게 수동력을 PS 단위와 kW로 변환하는 것을 우리가 알아야 되는데 우리가 이것만 기억하면 될 것 같습니다. 1PS는 75kg 중·m/s가 되겠고요. 1kW는 102kg 중·m/s가 되겠습니다. 그래서 이 수동력 공식을 구하는 비중량 곱하기 유량 곱하기 양정에서 PS 단위로 바꿔주게 되면 75분의 비중량 곱하기 유량 곱하기 양정이 되겠고요. kW 단위로 변환하게 되면 102분의 비중량 곱하기 유량 곱하기 양정이 되겠습니다. 그래서 이렇게 단위 변환하는 문제도 간혹 나오니까요. 알아두시고요. 또 비중량 곱하기 유량 곱하기 양정을 압력과 유량의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 이것은 압력 곱하기 유량으로 우리가 나타낼 수가 있습니다. 즉, 이것을 다르게 나타내게 되면 PS 단위로 75분의 PQ PS 그리고 102분의 PQ kW로 이렇게도 나타낼 수가 있다. 사이드에 나와 있는 내용이 되겠습니다.

이렇게 우리가 유압 펌프의 동력을 이렇게 나타낸다는 거 단위 변환을 이용해서 알 수가 있었고요. 수동력은 효율을 고려하지 않은 이론적인 동력이라고 말씀드렸습니다. 그러면 효율을 고려해서 나타내는 축동력은 원동기가 펌프를 구동하는 실제 동력은 이렇게 펌프 효율을 나눠주면 되겠고요. 그래서 효율은 축동력 분의 수동력 곱하기 100을 해주면 펌프 효율이 나오겠습니다. 펌프 효율은 체적 효율 곱하기 수력 효율 곱하기 기계 효율이라는 거 우리가 꼭 암기하고 넘어가시면 되겠습니다. 그러니까 우리가 75랑 102가 어떻게 숫자가 나왔는지를 알려면 이렇게 단위를 변환을 이렇게 했다라고 알고 계시면 어렵지 않게 숫자를 기억해 주실 수 있을 것 같습니다.

기출 문제, 개념 잡기 문제 바로 풀어보도록 하겠습니다. 유압 유니트에서 펌프의 압력이 P, 토출 유량이 Q로 표시될 때 펌프 동력 L을 표시하는 식으로 가장 적당한 것. 여기서는 P와 Q로 나타내라고 했네요.

우선 동력이라고 하는 것은 비중량 곱하기 유량 곱하기 양정으로 단위가 kg 중·m/s였죠. 이것을 PS 단위로 나타냈을 때 1PS는 75kg 중·m/s이기 때문에 75분의 비중량 곱하기 유량 곱하기 양정이 되겠고요. 이것을 kW 단위로 바꿔주면 어떻게 됐었죠? 102분의 비중량 곱하기 유량 곱하기 양정이 됐었습니다. 이것을 압력과 유량으로 변환한다고 했을 때 이것이 이렇게 바뀌었죠. 자 그럼 여기에 나와 있는 것이 선택지에 있는 것과 같은 것을 고르면 되겠네요. PS 단위는 75죠? 75분의 PQ. 답은 1번이 되겠습니다.

다음 개념 잡기 문제 풀어보도록 하겠습니다. 다음 중 200bar 이상의 고압에 주로 이용되는 펌프는? 유압 펌프는 크게 기어, 베인, 피스톤 펌프로 나누는데 가장 간단한 게 기어 펌프였고요. 가장 복잡한 게 피스톤 펌프였습니다. 그리고 효율이 가장 높은 게 피스톤 펌프가 되겠고요. 가장 고압에 사용됩니다. 답은 4번이 되겠습니다.

이어서 세 번째 개념 잡기 문제 풀어보도록 하겠습니다. 베인 펌프의 일반적인 특징으로 틀린 것은? 이 베인 펌프라고 하는 것은 회전하는 로터가 있었고 이 원 안을 로터가 이렇게 회전하면서 토출하는 방식이었죠. 그래서 소음이 작고 맥동 현상이 적다는 특징을 가지고 있었습니다. 그리고 압력이 떨어질 염려가 없었고요. 하지만 출력에 비해서 형상 치수가 최소이죠. 동일 마력 및 토출량에서 형상 치수를 가장 작게 할 수 있는 장점이 있는 펌프였습니다. 그래서 답은 4번이 되겠습니다.