공동현상 (Cavitation)

공동현상의 정의

공동현상은 액체의 압력이 포화증기압 이하로 떨어져 내부에 증기 기포가 생기는 현상이다.

이 기포가 고압부에서 붕괴하며 소음, 진동, 침식을 일으킨다.

그래서 시험에서는 정의, 발생 조건, 방지대책을 함께 묻는다.

발생 위치와 기포 붕괴

공동현상은 펌프 흡입측 임펠러 입구에서 시작된다. 이곳이 압력이 가장 낮은 지점이다.

이 기포는 압력이 회복되는 토출측으로 이동하면서 급격히 액체로 되돌아간다.

이때 생기는 충격이 임펠러 표면을 깎아 침식과 소음을 만든다.

유효흡입수두 NPSHa

NPSHa는 흡입측이 가진 압력 여유를 수두로 나타낸 값이다.

수면의 절대압력에서 증기압을 빼고 밀도와 중력가속도로 나눈 뒤, 흡입 양정과 손실수두를 뺀다.

이 값이 펌프가 요구하는 NPSHr보다 커야 공동현상이 생기지 않는다.

영향 요인과 방지대책

흡입측 손실이 커지면 NPSHa가 줄어들고, 공동현상의 위험이 커진다.

그래서 설계와 운전에서는 흡입 조건을 확보하는 것이 핵심이다.

흡입 수위를 높이고 흡입관 구경을 키우면 NPSHa가 커진다.

회전수를 낮추면 NPSHr이 작아지고, 여과장치 막힘은 손실을 키운다.

수격작용과 비교

앞의 문제 정답은 작아진다. 손실수두가 커지면 NPSHa가 낮아지기 때문이다.

공동현상은 수격작용과 함께 비교해서 묻는 경우가 많다.

두 현상은 원인과 피해가 달라 표로 나란히 비교해 정리한다.

NPSHa 계산 예제

예제로 대기압과 증기압을 수두로 바꿔 보자. 1kgf/cm²는 약 10m 수두다.

대기압은 10.344m, 포화증기압은 0.24m 수두가 된다.

NPSHa는 대기압 수두에서 흡입고, 흡입 손실수두, 증기압 수두를 뺀다.

흡입고는 실제 설치 조건을 확인해 적용하고, NPSHr은 제조사 자료로 비교한다.

정리

공동현상은 기포가 생겼다가 고압부에서 붕괴하는 현상이다.

판정은 NPSHa와 NPSHr의 대소 비교로 끝나고, 설계 여유를 더한다.

흡입 손실을 줄이면 NPSHa가 커지고, 회전수를 낮추면 NPSHr이 작아진다.

기출은 정의, 발생 조건과 영향 요인, 판정과 방지대책을 묻는다.