[하이플럭스 기술자료] 워터젯의 종류

[하이플럭스 기술자료]

워터젯의 종류

워터젯 기술의 발전과 세분화에 따라 그 종류와 응용분야가 점점 더 다양화되고 있지만, 일반적으로 워터젯의 형태에는 첨가제의 유무와 수류형성 방법에 따라 다음과 같은 4가지 유형이 있다.

 

1. 연속류 워터젯 (Continuous Water Jet)
연속류 워터젯은 가장 일반적인 형태의 워터젯으로 용어 자체의 의미대로 연속적인 물의 흐름에 의해 재료를 절단하거나 파쇄하는 것으로 그 속도는 915m/sec에 이르는 것으로 알려져 있고 이 때의 펌프압력은 414MPa정도된다고 한다. 

압력과 유량에 따라 연속류 워터젯을 형성시키는 펌프에는 플런저펌프(,plunger pump)와 증압기 펌프(intesifier pump)의 두 종류가 있다. 전자의 경우, 고압의 수류는 노즐에 의해 유체흐름을 구속함으로서 발생하고, 증압기는 실린더와 같은 구조로서 하나의 피스톤으로 구성되며, 피스톤은 한쪽면의 면적이 반대면보다 작도록 설계되어 있다.

 

서로 다른 두 면적의 비가 증압비이며 고압수의 생성은 저압의 유압을 큰 면적의 피스톤 끝단에 가하므로써 증압비만큼 증대된 고압수류를 얻게된다. 일반적으로 증압비는 약 20정도이다,

 

증압기의 피스톤은 플란저펌프에 비해 느린 왕복운동을 하므로 연속적인 분사를 만들기 위해서는 누적기(accumulator)와 같은 부대장치가 필요하기는 하지만 최근에는 즈압기 펌프의 사용이 일반적이다.

2.연마재 워터젯(Abrasive Water Jet)

연마재를 투입한 워터젯 시스템은 현재 가장 널리 사용되고 있는 워터젯 절단 기술이다. 연마재 워터젯 시스템의 절단원리는 순수한 퉈터젯의 절단효율을 높이기 위하여 고압수가분사되는 지점에 연마재의 혼합실(mixing chamber)을 두고 적당한 크기의 연마재가 고속 수류에 의해 현성되는 압력차에 의하여 수류에 흡입ㆍ혼합되도록 설계한다.

 

연마재에 의한 충격력의 증가로 워터젯의 절단력이 크게 향상되게 되는데, 이 경우 물은 주로 연마재 입자들을 가속시키는 매개물로서만 작용하며 실제 절삭을 담당하는 것은 연마재 입자들이다.

일반적으로 연마재 워터젯은 형성방법에 따라 다시 두가지로 세분된다.
하나는 고압(주로 200에서 340MPa), 저유량의 시스템을 사용하는 것과 저압(최대 70MPa), 고유량 시스템에 의해 고압수류가 형성되는 것이다. 전자는 위에서 언급한 것과 같이 노즐 끝부분에서 생성되는 압력차에 의해 연마재가 고압수류에 혼합되는 것이고 후자는 연마재가 고압수와 미리 혼합되는 것이고 후자는 연마재가 고압수와 미리 혼합된 후에 고압펌프를 통해 함께 가압되는 차이가 있다. 이를 특별히 DIAjet(Direct Injection Abrasive Water Jet)이라 부른다. [29]. DIAjet시스템의 경우 높은 압력을 필요로 하지 않기 때문에 작업이 쉬운 장점이 있지만 반면에 값이 싼 연마재의 사용량이 많다는 단점이 있다.

3. 캐비테이팅 워터젯(Cavitating Water Jet)
캐비테이팅 워터젯은 연속류 워터젯에 인위적으로 캐비테이팅 버블(Cavitating bebble)을 형성시켜 재료에 가해지는 충격압을 증가시키는 것이다. 실험에 의하면 수류에 포함된 이들 버블은 재료에 부딪히는 순간 연속류 보다 휠씬 높은 충격압을 유도하고 이러한 버블들의 연속적인 충돌에 의해 재료에 압축응력과 인장응력을 반복적으로 유발하면서 파괴력을 증대시키게 된다. 캐비테이팅 버블을 형성시키는 방법으로는 직경이 큰 수류가 원추형의 물체를 통과하도록 설계하는 것이 일반적이다. 

​캐비테이팅 워터젯의 일반적인 장점으로는 연속류에 배해 넓은 절단면적을 가지기 때문에 세정작업 등과 같이 넓은 유효면적을 원하는 작업에 유리하다는 것과 노즐을 비롯한부대장비의 수명 증대, 수중에서의 작업 효율상승 등을 들수 있다. 반면에 절삭품질의 조절이 어렵고 노즐이격 거리에 제한이 따르며 깨비테이팅 버블을 포함할 수 있을 만큼 노즐의 직경이 충분히 커야한다는 단점이 있다.

4. 펄스식 워터젯(Pulsed Water Jet)
펄스식 워터젯은 연속류 워터젯과 상반되는 개념으로서 연속류에 속도차를 주어 물방울들의 결합에 의한 충격압을 이용하는 것이다. 물방울들의 결합에 의해 재료에 가해지는 충격압이 증대하는 것을 물방망이 효과(water hammer effect)라고 하는데 물방망이 효과에 기인한 과도응력(tran sient stress)이나 준과도응력(quasi-transient stress)은 연속류에 의해 생성되는 정상응력(steady stress)에 비해 재료에 가해지는 충격압이 훨씬 크다. 예를 들어, 펌프압력 70MPa에서 물방망이 효과에 의한 충격압은 560MPa 정도이다.

펄스식 워터젯은 생성되는 펄스의 횟수에 따라 펄쿠시브 워터젯(percussive water jet)과 물대포(water canon or culmination water jet)로 세분된다.

 

전자의 경우 다량의 펄스를 생성시켜 물방울 하나하나의 충격에너지는 작지만 이들의 연속적인 충돌에 의한 동적인 효과(dynamic effect)를 이용하는 방법이고 후자는 급격한 속도감쇠를 통해 상대적으로 적은 수의 큰 에너지를 가지는 펄스를 발생시키도록 설계된다.

 

물대포의 경우 펄스의 생성이 불확실하기 때문에 공학적 이용이 어려운 반면 펄쿠시브 워터젯은 굴착장비에 장착되어 경암이 굴착에 주로 이용된다.