흡출관과 토마계수

흡출관과 토마계수

흡출관은 수차 출구에 연결된 확대관이다.

런너를 나온 물의 잔류 운동에너지를 압력에너지로 바꿔 회수한다.

토마계수는 캐비테이션 발생 여부를 판단하는 기준이 된다.

흡출관 압력 회수

흡출관 원리는 물이 확대관을 지나며 속도를 줄이는 데 있다.

유속이 줄면 속도수두가 압력수두로 바뀌어 압력이 회복된다.

출구 속도가 입구보다 작아 런너 출구 압력은 대기압 이하가 된다.

확대각을 작게 제한하면 흐름 박리가 막혀 효율이 높아진다.

베르누이 적용과 계산

베르누이 방정식을 런너 출구(2)와 방수로 출구(3) 사이에 적용한다.

마찰 손실은 무시하고 방수면의 게이지압은 0, 기준면의 z3은 0으로 둔다.

런너 출구 유속 6 m/s, 방수로 출구 유속 1.5 m/s, 흡출관 높이 5 m를 대입한다.

계산하면 p2는 약 -6.72 m 수두, 즉 약 -66 kPa의 음압이 된다.

토마계수와 캐비테이션

토마계수는 캐비테이션 위험을 판단하는 무차원 계수다.

정의는 유효흡입수두를 양정 또는 낙차로 나눈 값이다.

계수가 임계값보다 작으면 캐비테이션이 발생한다고 본다.

임계 토마계수는 기기 모델마다 실험으로 구하는 값이다.

흡출관 형식 비교

흡출관은 형상에 따라 원추형, 단순 엘보형, 가변단면 엘보형으로 나뉜다.

원추형은 확대각을 작게 제한해 박리를 막으므로 회수 효율이 가장 높다.

단순 엘보형은 굴착 비용을 줄이는 대신 에너지 회수가 낮다.

흡출관 높이를 높이면 런너 출구 압력이 낮아져 캐비테이션 여유가 준다.

정리와 직접 풀기

핵심을 네 가지로 정리한다.

흡출관은 운동에너지를 압력에너지로 회수하는 디퓨저다.

흡출관 높이가 높을수록 런너 출구 압력은 더 낮아진다.

토마계수가 임계값보다 작으면 캐비테이션이 발생한다.

흡출관 높이는 토마계수 기준으로 정해 캐비테이션을 막는다.

직접 풀어 보자.