캐비테이션(cavitation)

1 캐비테이션 개요

 1) 캐비테이션(cavitation) 정의
   - 국소 압력이 강하하여 액체에서 공기가 분리되는 현상.

   - 캐비테이션은 공동현상이라고도 불림.

 2) 캐비테이션 발생현상
   - 기포가 다시 고압으로 붕괴 → 공기가 사라지며 주변의 이물질을 강력하게 빨아들이며 상대물에 충돌 → 상대물의 손상

   - 기포가 다시 고압으로 붕괴 → 충격파를 발생함. 상대물에 소음과 진동이 발생. → 상대물의 손상

깃에서 발생한 기포 - 캐비테이션 / 공동현상

 

출처 : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417723001116

2 캐비테이션의 원인 및 영향
 1) 캐비테이션의 발생 원인
   - 흐르는 유체에서 임의 지점의 정압이 해당 유체의 포화증기압보다 낮아질 때 기포가 발생하고 다시 기포가 압역에 의해 상쇄될때 충격파가 발생한다.
     * 고속유체의 경우 단열상태로 압력이 강하되는데, 이때 포화증기압보다 낮아져서 보다 비등됨.(증기발생)
     * 유체 유온 대비 포화증기압의 강하시 발생.
     * 온도가 높은상태에서(포화온도 이하) 관의 수축부를 통과할때 압력강하가 발생하여 포화됨.

 2) 캐비테이션의 영향
   - 소음진동 : 발생된 기포가 상대적 고압영역으로 유입되면 기포가 급격한 붕괴를 일으키는데 이때 소음과 진동이 발생하게됨
   - 양정 및 동력효율저하 : 기포발생에 따른 유효흡입량 저하
   - 깃의 침식 : 기포가 붕괴할때 기포주위로 충격파가 발생하여 깃에 국부 점침식(pitting / 캐비테이션 부식)을 유발함.
 
3 캐비테이션의 방지책
 1) 임팰러 측면
   - 임팰러 재질을 점침식에 강한재질로 변경.

     * 일반적으로 18-8 스테인레스강이 많이 쓰임.

   - 주기적인 교체 및 유지보수로 성능 저하에 대해 대응.
 2) 펌프 측면
   - 펌프의 설치위치를 낮추어 유효흡입수두를 크게함.(NPSHr을 낮춤)
   - 흡입관경을 크게하고 밸브 플랜지 등 관이음류의 수를 줄여 손실수두를 줄인다.
 3) 캐비테이션 발생한계에 맞는 설계
   ① 발생한계 조건
     - 유효흡입수두 >= 1.3x필요흡입수두
   ② 토마의 캐비테이션 계수(σ)
     - σ = 필요흡입수두/전양정

펌프의 캐비테이션 발생 조건