공동현상 (Cavitation)

왜 배우는가: 공동현상은 펌프 흡입측 설계와 운전에서 임펠러 손상, 소음, 양수 불능을 일으키는 대표적 문제이며, 소방펌프의 흡입배관 설계 기준과 함께 기술사 시험에서 정의, 발생조건, 방지대책을 반복해 묻는다. 실무에서는 흡입 수두와 NPSH를 계산해 펌프 설치 높이를 정하는 근거가 된다.

출제 이력: 제125회 3교시 4번, 제120회 3교시 4번, 제112회 1교시 11번, 제91회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 공동현상은 액체의 압력이 포화증기압 이하로 떨어져 액체 내부에 증기 기포가 생기고, 이 기포가 고압부에서 붕괴하며 소음·진동·침식을 일으키는 현상이다.

핵심 키워드

• 공동현상(Cavitation)
• 포화증기압(Saturated Vapor Pressure)
• 유효흡입수두(NPSHa)
• 필요흡입수두(NPSHr)
• 토마의 캐비테이션 계수(Thoma's Cavitation Number)
• 흡입비속도(Suction Specific Speed)
• 기포 붕괴(Bubble Collapse)
• 흡입 측 배관 설계

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 물이 펌프 입구에서 너무 낮은 압력을 받으면 물이 끓는 것처럼 기포가 생긴다. 이 기포가 압력이 높은 토출 쪽으로 가면 순간적으로 꺼지면서 큰 충격을 준다. 이 충격이 반복되면 임펠러 표면이 파이고, 펌프 소리가 자갈이 구르는 듯한 소음으로 바뀐다.

정식 정의는 다음과 같다. 공동현상은 유체의 속도 변화에 따른 압력 변화로 유체 내부의 압력이 포화증기압 이하로 내려가 증기 기포(공동)가 생기는 현상이다. 기포가 압력 회복 구간에서 붕괴하면서 충격파가 발생하고, 이로 인해 부식·소음·진동이 생긴다.

• 포화증기압: 주어진 온도에서 액체가 기체로 변하기 시작하는 압력이다. 온도가 높을수록 커지므로 수온이 높으면 공동이 더 쉽게 생긴다.
• 증기 기포 붕괴: 기포가 고압부로 이동해 압력이 증기압보다 높아지면 급격히 액체로 되돌아간다. 이때 생기는 충격이 침식의 원인이다.
• NPSH(유효흡입수두): 펌프 흡입구에서 액체가 가진 전수두에서 증기압 수두를 뺀 값이다. 공동이 생기지 않으려면 NPSHa가 NPSHr보다 커야 한다.
• NPSHr(필요흡입수두): 펌프 제작사가 제시하는 값으로, 펌프 내부 압력 강하를 고려해 공동 없이 운전하기 위해 흡입구에 필요한 수두다.
• 토마의 캐비테이션 계수 σ: 임펠러 형상과 운전점에 따라 정해지는 무차원 수로, NPSHr 추정에 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

원심펌프는 흡입 측 압력이 임펠러 입구에서 가장 낮다. 펌프 설치 높이가 높거나 흡입 배관의 손실이 크면 이 지점의 압력이 증기압 근처까지 떨어진다. 대형 펌프와 고속 펌프가 쓰이면서 이 문제가 실제 설계 변수로 자리 잡았다.

소방펌프는 화재 시 짧은 시간 안에 정격 토출량을 내야 하므로 공동현상이 생기면 성능이 바로 떨어진다. 옥내소화전설비의 화재안전기술기준은 펌프 흡입 측 배관에 공기 고임이 없도록 하고 여과장치를 설치하도록 정한다(NFTC 102 2.3.4.1). 이 규정은 흡입 측 기포와 압력 손실을 줄이는 데 목적이 있다.

NPSHa ≥ NPSHr 조건을 확보하는 것이 설계의 기본이다. 여기에 수온 20℃의 포화증기압 0.024kgf/cm² 같은 값과 흡입고, 흡입손실수두를 함께 계산해 운전 여부를 판정한다.