프로펠러캐비테이션 (Propeller cavitation)
쉽게 풀면
프로펠러가 빠르게 돌면 날개 앞면과 뒷면의 압력 차이로 추력이 생기는데, 이때 날개 뒷면(흡입면)의 압력이 물의 증기압보다 낮아지면 물이 그 자리에서 끓듯이 증발해 기포가 만들어집니다. 이 기포가 압력이 회복되는 곳으로 흘러가 급격히 터지면 강한 충격파와 소음이 발생합니다. 이것이 프로펠러캐비테이션이며, 날개 표면이 파이는 침식, 심한 진동, 추력 저하를 함께 불러옵니다.
왜 중요한가
캐비테이션은 프로펠러 설계의 실질적인 한계를 정하는 요인입니다. 회전수를 높이면 효율은 올라가지만 캐비테이션 때문에 날개가 손상되고 프로펠러기진력이 커지므로, 설계자는 전개면적비를 키우거나 날개 형상을 바꿔 타협점을 찾습니다. 최근에는 캐비테이션이 만들어 내는 수중 방사 소음이 해양 포유류에 미치는 영향 때문에 환경 규제 측면에서도 중요하게 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
조금 더 깊게 보면
캐비테이션은 형태에 따라 날개 표면에 얇게 붙는 시트 캐비테이션, 날개 끝에서 소용돌이를 따라 길게 뻗는 팁 보텍스 캐비테이션, 거품 모양의 버블 캐비테이션 등으로 구분되며, 각각 침식·소음·진동에 기여하는 정도가 다릅니다. 발생 여부는 국부 압력과 증기압의 차이를 동압으로 무차원화한 캐비테이션수로 판정하고, 캐비테이션 터널에서 압력을 낮춘 상태로 모형 시험을 수행해 확인합니다. 선미 반류가 불균일하면 날개가 한 바퀴 도는 동안 하중이 크게 변해 캐비테이션이 주기적으로 나타났다 사라지며, 이것이 선체 진동의 주요 원인이 됩니다.
주의할 점
기계공학 일반의 캐비테이션 항목이 현상 자체를 다룬다면, 이 용어는 선박 프로펠러라는 특정 조건에서의 발생 유형과 대책에 초점이 있습니다. 날개 표면이 패이는 침식이 없다고 해서 캐비테이션이 없는 것은 아니며, 소음과 진동만 유발하는 경우도 흔합니다.