캐비테이션의 정의,원리,영향,방지 대책 (전력공학)

 

 

캐비테이션 (Cavitation)

캐비테이션은 유체 역학에서 발생하는 현상으로, 유체의 압력이 그 유체의 증기압 이하로 떨어질 때 발생합니다. 이 현상은 유체 중에 기포가 형성되고, 이 기포들이 다시 높은 압력 영역으로 이동하면서 붕괴하는 과정에서 발생합니다. 캐비테이션은 주로 터빈, 펌프, 프로펠러 등과 같은 유체 기계에서 나타나며, 장비의 성능 저하와 손상을 초래할 수 있습니다.

 

 

캐비테이션의 원리

1. 압력 강하: 유체가 고속으로 흐르거나, 좁은 통로를 통과할 때 압력이 급격히 감소할 수 있습니다. 이 때 유체의 압력이 그 유체의 증기압 이하로 떨어지면, 유체 중에 기포가 형성됩니다.
2. 기포 형성: 압력이 낮은 영역에서 형성된 기포는 유체의 흐름을 따라 이동합니다.
3. 기포 붕괴: 기포가 다시 높은 압력 영역으로 이동하면, 압력 차이로 인해 기포가 갑작스럽게 붕괴합니다. 이 붕괴 과정에서 큰 충격파가 발생하며, 이로 인해 인접한 물체의 표면에 강한 압력이 가해집니다.

 

캐비테이션의 영향

1. 수차의 수명 단축: 캐비테이션으로 인해 발생하는 기포의 붕괴가 수차의 표면에 심각한 마모를 초래하여, 수차의 기계적 손상과 수명 단축을 야기합니다.
2. 진동 및 난조 발생: 기포 붕괴 과정에서 발생하는 충격파와 압력 변동이 수차에 진동을 일으키고, 이는 시스템의 안정성을 저하시킬 수 있습니다. 또한, 진동이 지속되면 수차의 작동이 불안정해질 수 있습니다.
3. 효율 저하: 캐비테이션이 발생하면 수차의 흐름이 방해받고, 유체의 효율적인 전달이 어려워지므로 수차와 발전기의 전체 효율이 저하됩니다. 이는 에너지 변환의 손실을 증가시키고, 전체 시스템의 성능을 떨어뜨립니다.

 

캐비테이션 방지 대책

1. 특유 속도 조정: 수차의 특유 속도를 적절히 설정하여 캐비테이션이 발생할 가능성을 줄입니다. 너무 높은 속도는 유체의 압력을 급격히 감소시켜 기포 형성을 유도할 수 있으므로, 최적의 속도로 조정합니다.
2. 흡출관 높이 조정: 흡출관의 높이를 적절히 유지하여 유체의 압력이 지나치게 낮아지지 않도록 합니다. 흡출관이 너무 높으면 유체 압력이 감소하여 캐비테이션이 발생할 수 있습니다.
3. 내식성 재료 사용: 수차의 러너를 스테인레스강 또는 특수합금 등 내식성 및 내마모성이 강한 재료로 제작하여 기계적 손상을 최소화합니다. 이러한 재료는 캐비테이션으로 인한 침식에 강합니다.
4. 표면 가공: 수차의 러너 표면을 매끄럽게 가공하여 유체의 흐름을 원활하게 하고, 기포 형성을 줄입니다. 매끄러운 표면은 기포가 형성될 가능성을 감소시킵니다.
5. 부하 및 과부하 조절: 수차의 과도한 부하나 과부하 운전을 피하여 캐비테이션 발생을 억제합니다. 부하가 적절하게 조정되어야 수차의 효율과 안정성을 유지할 수 있습니다.