포지티브 변위 펌프
1 부 – 왕복 펌프
포지티브 변위 범주에 속하는 많은 펌프 설계가 있지만, 대부분 두 가지 기본 그룹으로 나눌 수 있습니다. 왕복 운동 그룹은 피스톤, 플런저 또는 다이어프램을 통해 작동하는 반면 로터리 펌프는 기어, 로브, 나사, 베인 및 연동 작용을 사용합니다. 일반적인 설계 스레드는 동적 펌프에서 연속적으로 추가되는 에너지가 주기적으로 펌핑 된 유체에 에너지가 추가된다는 것입니다.
피스톤 및 플런저 펌프
피스톤 펌프는 가장 일반적인 왕복동 펌프 중 하나이며 원심 분리기의 인기를 높이는 고속 드라이버를 개발하기 전에 광범위한 응용 분야에 적합한 펌프였습니다.
오늘날에는 저 유량, 중간 (2000 PSI) 압력 응용 분야에서 가장 많이 나타납니다. 플런저 펌프 인 폐쇄 형 사촌은 최대 4 만 PSI의 고압을 위해 설계되었습니다. 이 둘의 주요 차이점은 실린더를 밀봉하는 방법입니다. 피스톤 펌프에서 실링 시스템 (링, 패킹 등)이 피스톤에 부착되고 스트로크 중에 피스톤과 함께 움직입니다. 플런저 펌프의 씰링 시스템은 정지되어 있으며 스트로크 중에 플런저가 플런저를 통해 움직입니다.
왕복 펌프는 고체가 자체 체적과 동일한 체적의 액체를 대체한다는 원칙에 따라 작동합니다. 오른쪽 그림은 일반적인 복 동식 피스톤 펌프입니다. 그림의 왼쪽에서 두 개의 밸브를 제거하고 실린더의 확장으로 교체하면 단일 작동 펌프가 있습니다. 단일 작동 펌프는 정방향 스트로크에서만 물을 배출하고 이중 작동 펌프는 리턴 행정에서도 배출합니다. 흡입 행정 (오른쪽에서 왼쪽) 동안 단일 작동 펌프의 배출 밸브가 닫히고 흡입 밸브를 통해 유체가 실린더로 유입됩니다. 피스톤이 방향을 바꾸면 (왕복) 흡입 밸브가 닫히고 배출 밸브를 통해 물이 배출됩니다. 복 동식 펌프에서, 두 스트로크 동안 동일한 순서가 발생하며 단위 시간당 거의 두 배의 유체가 배출됩니다.
압력
원심 펌프로 생성 된 헤드는 임펠러를 통해 유체에 전달되는 속도에 따라 달라집니다. 따라서, 주어진 임펠러 직경과 회전 속도에 대해 헤드는 최대의 변하지 않는 양이됩니다. 왕복 펌프에는 해당되지 않습니다. 최대 작동 압력 등급을 갖지만 달성되는 최대 압력 (P)은 적용 분야에 따라 다릅니다.
폐쇄 된 배출 밸브에 대해, 압력은 운전자의 능력 및 사용 된 재료의 강도에 의해서만 제한된다. 일부 구성 요소의 "파손 점"만이 배출 압력을 제한합니다. 따라서 응용 프로그램이 펌프의 정격 압력을 초과 할 수있는 경우 일부 형태의 압력 완화를 제공해야합니다.
생산 능력
단일 작동 피스톤 또는 플런저 펌프의 용량 (Q)은 단위 시간당 변위 (D)에 비례합니다. 변위는 100 % 유압 효율을 가정 한 펌프의 계산 된 용량이며 피스톤의 단면적 (A), 행정 길이 (s), 실린더 수 (n) 및 펌프 속도 (rpm). 분당 갤런은 다음과 같습니다.
D = (A xsxnx rpm) / 231
복동 펌프의 경우 피스톤 또는 플런저의 단면적이 두 배가되고 피스톤로드 (a)의 단면적이 차감됩니다. 다시, 분당 갤런 D는 다음과 같습니다.
D = ((2A-a) xsxnx rpm) / 231
실제로 피스톤 또는 플런저 펌프의 이론적 용량은 몇 가지 요인에 의해 강화됩니다. 하나는 슬립 (S)으로 알려져 있습니다. 슬립의 주요 구성 요소는 배출 또는 흡입 밸브가 닫히거나 장착 될 때 유체가 다시 누출되는 것입니다. 밸브 설계 및 조건에 따라 계산 된 변위를 2 ~ 10 %로 줄일 수 있습니다. 점도가 증가하면 미끄러짐에도 악영향을 미칩니다.
왕복 펌프의 용량에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 체적 효율 (VE)입니다. VE는 백분율로 표시되며 피스톤 또는 플런저 변위에 대한 총 토출량의 비율에 비례합니다. 오른쪽 그림은이 비율에 도달하는 방법을 보여줍니다.
비율 (r)은 (c + d) / d로 표시되며, 여기서 d는 피스톤 또는 플런저에 의해 변위 된 부피이고 c는 배출 밸브와 흡입 밸브 사이의 추가 부피입니다. 이 비율이 작을수록 체적 효율이 좋아집니다. 수학적으로 표현하면 다음과 같습니다.
VE = 1-(P xbxr)-S
여기서 P는 압력, b는 액체의 압축률, r은 체적비, S는 슬립입니다. 물의 압축률은 매우 작지만 (주변 온도에서 압력 파운드당 3 x 10-6 인치) 10,000 PSI를 초과하는 압력에서는 요인이됩니다.
위의 그림은 이러한 펌프의 체적 변위 작동 원리를 명확하게 보여줍니다. 스트로크 하단의 플런저 주변에 실린더 벽이 없지만 여전히 자체 체적과 동일한 유체를 대체합니다. 이제 왕복 펌프의 실제 용량을 알 수 있습니다. 아주 간단합니다 :
Q = D x VE
힘
왕복 펌프를 구동하는 데 필요한 동력은 매우 간단합니다. 압력과 용량에 비례합니다. 브레이크 마력에서 :
bhp = (QXP) / (1714 X ME)
여기서 1714는 bhp 변환 계수이고 ME는 기계적 효율성입니다. 기계적 효율은 펌프의 동력 프레임 및 기타 왕복 운동 부품에서 손실되지 않는 구동력의 백분율입니다. 피스톤 또는 플런저 펌프의 기계적 효율은 속도, 크기 및 구성에 따라 80 ~ 95 %입니다.
다이어프램 펌프
다이어프램 펌프는 펌핑 된 유체를 변위시키기 위해 피스톤 또는 플런저 대신에 유연한 멤브레인을 사용하는 왕복 포지티브 변위 펌프입니다. 그들은 진정으로 자체 프라이밍 (건조 할 수 있음)이며 손상없이 건조 할 수 있습니다. 그것들은 앞에서 설명한 것과 같은 부피 변위 원리를 통해 작동합니다. 오른쪽 그림은 기본 수동식 싱글 다이어프램 펌프의 작동주기를 보여줍니다.
작동이 단순 해지면 중력과 경쟁하게됩니다. 그림의 상단 부분은 흡입 행정을 보여줍니다. 핸들은 다이어프램을 들어 올려 부분 진공을 생성하여 배출 밸브를 닫으면서 액체가 흡입 밸브를 통해 펌프 챔버로 들어갑니다. 토출 행정 동안 다이어프램이 아래쪽으로 밀리고 프로세스가 반대로 진행됩니다. 수동식 펌프는 최대 15 피트에서 최대 30gpm을 제공하도록 설계되었지만 실제 용량은 운전자의 신체 상태에 따라 크게 좌우됩니다. 공기, 엔진 및 모터 구동 장치도 사용 가능하며 130 gpm의 용량을 제공합니다. 흡입 헤드와 배출 헤드는 모두 15 ~ 25 피트입니다.
피스톤 및 플런저와 달리 다이어프램에는 씰링 시스템이 필요하지 않으므로 누출이 없습니다. 그러나이 기능은 복 동식 디자인의 가능성을 배제합니다. 거의 연속적인 흐름이 필요한 경우 일반적으로 이중 다이어프램 또는 이중 펌프가 사용됩니다. 아래 그림은 공기 작동 식 이중 다이어프램 펌프의 단면도입니다.
이중 다이어프램 펌프는 샤프트로 단단히 연결된 두 개의 다이어프램으로 구성된 공통 흡입 및 배출 매니 폴드를 사용합니다. 펌핑 된 액체는 각각의 외부 챔버에 상주하고 압축 공기는 내부 챔버로 그리고 내부 챔버로 라우팅됩니다. 그림에서 오른쪽 챔버는 흡입 행정을 완료했으며 동시에 왼쪽 챔버는 배출 행정을 완료했습니다. 예상 한 바와 같이, 액체가 우측 챔버로 유입 될 수 있도록 흡입 체크가 개방되고 액체가 유출 될 수 있도록 좌측 챔버의 배출 체크가 개방된다. 이중 챔버 구성을 제외하고 작동은 앞에서 본 이중 작동 피스톤 펌프와 같습니다. 물론, 차이는 내부 챔버 내에 있으며 왕복 운동이 유지되는 방법에있다. 이는 하나의 다이어프램 챔버로 압축 공기를 유입시키면서 다른 다이어프램 챔버로 배기하는 공기 분배 밸브로 이루어집니다. 스트로크가 완료되면 밸브가 90도 회전하고 왕복 운동이 발생합니다.
나는 다이어프램 펌프가 본질적으로 긍정적 인 변위라는 진술로이 섹션을 소개했습니다. 일반적으로 이것은 정확한 설명이지만 "반"양 변위라고도합니다. 그 이유는 다이어프램의 탄성과 토출 압력이 증가함에 따라 부피 효율이 감소하기 때문입니다. 또한, 체크 밸브 누출은 종종 피스톤 및 플런저 펌프가 경험하는 것보다 훨씬 더 큽니다.
유연
우리는 선호도 법칙을 원심 펌프와 연관시키는 경향이 있지만, 다른 기계 장치들도 이러한 "자연적인"관계를 나타냅니다. 포지티브 변위 펌프의 경우 친화력 법칙은 매우 간단합니다.
흐름-흐름은 속도 변화에 따라 직접 변합니다. 회전 속도가 두 배가되면 흐름도 두 배가됩니다.
압력-압력은 속도 변화와 무관합니다. 효율 손실을 무시하면 주어진 회전 속도에서 발생하는 압력은 흐름을 지원하는 데 필요한 압력이됩니다.
마력-마력은 속도 변화에 따라 직접 다릅니다. 우리가 회전 속도를 두 배로 늘리면 두 배의 전력이 필요합니다.
NPSHr-필요한 순 포지티브 흡입 헤드는 속도 변화의 제곱에 따라 다릅니다. 회전 속도를 두 배로하면 NPSHR이 4 씩 증가합니다.
