캐비테이션

캐비테이션의 정의

캐비테이션은 물속 국부 압력이 포화증기압 이하로 떨어져 생기는 현상이다.

이때 생긴 기포는 압력이 회복되는 구간에서 순간적으로 붕괴한다.

붕괴할 때 생기는 충격과 국부 고온이 날개를 침식하고 진동을 일으킨다.

기술사 시험에서 정의와 방지 대책으로 여러 회차에 반복 출제된 개념이다.

발생 위치와 구성요소

캐비테이션은 수차 내부에서 압력이 가장 낮아지는 곳에서 주로 생긴다.

압력이 가장 먼저 떨어지는 곳은 런너 날개의 흡입면이다.

흡출관은 런너 출구 물을 감속시켜 압력을 회복시키는 장치다.

흡출고가 높을수록 출구 압력이 낮아져 캐비테이션 위험이 커진다.

토마계수

토마계수는 캐비테이션에 대한 여유를 나타내는 무차원수다.

분자는 대기압 수두에서 증기압 수두와 흡출 높이를 뺀 값이다.

분모는 유효낙차이며, 독일 엔지니어 토마의 이름을 따 불린다.

계산한 σ가 임계 토마계수 σc보다 작으면 캐비테이션이 발생한다.

발생 과정

국부 압력이 포화증기압 이하로 떨어지면 기포가 생기고 성장한다.

기포가 압력 회복 구간에서 붕괴하면 표면에 충격 압력이 가해진다.

이 충격이 반복되어 날개 침식, 소음, 진동, 효율 저하가 일어난다.

앞 문제의 답은 발생한다, σ가 σc보다 작기 때문이다.

방지 대책

방지 대책의 핵심은 토마계수 σ를 한계값 σc보다 크게 잡는 것이다.

흡출고를 낮추면 출구 압력이 높아져 공동 여유가 커진다.

재질은 내침식 재료로 침식 진행을 늦추지만 공동 자체는 막지 못한다.

운전 범위를 제한하고 진동·소음을 감시해 징후를 조기에 찾는다.

정리와 확인

캐비테이션은 국부 저압에서 생긴 기포가 압력 회복 때 붕괴하는 현상이다.

판단 기준은 토마계수 σ와 임계 토마계수 σc의 크기 비교다.

시험에서는 정의, 장해, 토마계수 식, 방지 대책을 함께 쓰면 된다.

이 네 가지를 묶어 쓰면 정의형과 논술형 모두에 대응할 수 있다.