DE69511603T2

DE69511603T2 - Vorrichtung zum Reduzieren des Strömungswiderstandes einer Kavität und Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE69511603T2
Application number: DE69511603T
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Ardissone; Philippe Chappet; Jean-Pierre Gupbergia; Stephen Haentjes; Jean-Luc Tessier
Original assignee: GEC Alsthom Transport SA
Current assignee: Alstom Transport SA
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1995-03-21
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2015-03-22
Also published as: DE69511603D1; CA2145237A1; CA2145237C; KR100358023B1; JP3583497B2; US5546865A; KR950031742A; FR2717760A1; EP0673819A1; ES2135668T3; JPH07267081A; EP0673819B1; FR2717760B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Veränderung des aerodynamischen Profils eines Fahrzeugs, insbesondere Bahnfahrzeugs, d. h. Vorrichtungen, die den Fahrwiderstand verändern, der durch Hohlräume (Kavitäten) auf der Außenfläche hervorgerufen wird, und erstreckt sich insbesondere auf ein Fahrzeug, speziell Bahnfahrzeug, das mit einer Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes eines Hohlraumes in einer Strömung ausgestattet ist.
Für Transportfahrzeuge, insbesondere Bahnfahrzeuge ist es zur Verringerung der Auslegung der Antriebsgerätschaften und zur Begrenzung des Energieverbrauchs erforderlich, den Fahrwiderstand zu verringern.
Folglich ist man auf der Suche nach möglichst aerodynamischen Profilen. Gleichwohl bildet die Außenfläche eines Zuges verschiedene Hohlräume, die ebenso die Vorwärtsbewegung des Zuges behindern und den Lärmpegel erhöhen, wie etwa die Einschnitte zwischen den Wägen, die Aufnahmevorrichtungen für die Stromabnehmer und die Aufnahmevorrichtungen für das Fahrgestell unter dem Gehäuse.
Bei erhöhter Geschwindigkeit macht der Luftwiderstand der Fahrzeuge einen wesentlichen Teil des Fahrwiderstandes aus.
Ein Teil dieses Widerstandes entsteht durch Störungen in der Form der Außenhülle der Fahrzeuge, insbesondere durch Hohlräume. Bei einem Zug wird das aerodynamische Profil am meisten durch die Einschnitte zwischen den Wägen innerhalb eines Wagenverbundes und die Hohlräume, die das Fahrgestell aufnehmen verändert.
Ein im Stand der Technik bekanntes Mittel ermöglicht eine Lösung dieser Probleme, indem Gummilappen zwischen die Wägen plaziert werden, um so eine aerodynamische Kontinuität zu gewährleisten. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß der Zugang zu den Gerätschaften versperrt wird. Außerdem sind diese Vorrichtungen auf Dauer wenig zuverlässig und erhöhen die Zeit für Wartungsarbeiten. Das gleiche gilt für die Aufnahmevorrichtungen für das Fahrgestell und die Stromabnehmer, wo feste oder bewegbare Verkleidungssysteme die Hohlräume bedecken. Diese Verkleidungen verdecken die Gerätschaften auf Kosten der Sicherheit.
Die durch diese Art von Hohlraum entstehenden Probleme sind also noch nicht befriedigend gelöst.
Die Druckschrift FR-A-805 960 beschreibt eine Vorrichtung zur Verminderung des Fahrwiderstandes aufgrund von Einschnitten oder anderen Unterbrechungen bei Fahrzeugen. Diese Vorrichtung im Stand der Technik besteht aus wenigstens einer auf dem Fahrzeug und senkrecht über der Unterbrechung angeordneten Ableitfläche, die sich insbesondere am Ende der Wagons oder weiterer Fahrzeuge, die dazu geeignet sind, angehängt zu werden, befindet.
Die Ableitflächen werden in der Verlängerung der Außenfläche der Fahrzeuge, auf der die relativ bewegte Luft entlang gleitet, angeordnet, so daß die Strömung dieser relativ bewegten Luft reguliert wird, die ansonsten dazu neigt in die Unterbrechung einzudringen, wo dann normalerweise ein Wirbelbereich entsteht.
Diese im Stand der Technik bekannte Druckschrift FR-A-805 960 zeigt, daß die Ableitflächen etwa in der Strömungsebene der relativ bewegten Luft, d. h. in der Verlängerung der Fahrzeugwände, angeordnet werden. Die Ableitflächen können etwas zurückspringend angeordnet werden, dürfen jedoch prinzipiell nicht über die Außenseite dieser Wände hinausragen.
Wie in dieser Druckschrift gezeigt wird, basieren die Ableitflächen auf der Ablenkung der Luftlinien nach außen. Es geht aus dieser Druckschrift hervor, daß die Ableitflächen zur Ablenkung dienen und keinerlei technische Wirkung auf die Luftströmung innerhalb der Hohlräume haben.
Die Druckschrift BE-A-417 270 beschreibt eine Ausstattung zur Verkleidung bewegbarer Körper, die mit Ableitflächen versehen ist, welche aus in ihrer Lage bewegbaren und um Schwingungsachsen drehbar gelagerten Mitteln hervortreten, so daß diese unterschiedliche Orientierungen einnehmen können, um den Fahrwiderstand des bewegbaren Körpers entweder zu vermindern oder zumindest dessen weiteren Ansteigen entgegenzuwirken.
Wie durch diese Druckschrift gezeigt wird, basieren die Ableitflächen auf der seitlichen Ablenkung der Luftlinien. Aus dieser Druckschrift geht gleichermaßen hervor, daß die Ableitflächen zur Ablenkung dienen und keinerlei technische Wirkung auf die Luftströmung innerhalb der Hohlräume haben.
Die Druckschrift US-A-2 182 640 zeigt ein Fahrzeug das dem Oberbegriff des Anspruches 1 entspricht.
Aus den weiter unten gezeigten Gründen wird ersichtlich, daß die durch diese Art von Hohräumen entstehenden Probleme nicht in befriedigender Weise gelöst werden.
Es ist bekannt, daß der Luftwiderstand eines Hohlraumes stark von dem Verhältnis α zwischen seiner Breite 1 und seiner Tiefe P abhängt.
Wie in der Fig. 1 gezeigt, wird bei gegebener Breite 1 für einen Hohlraum die Größe des Widerstandes minimal, wenn der Wert für das Verhältnis α nahe bei 1 liegt. Die Größe des Widerstandes verdoppelt sich rasch wenn das Verhältnis α nahe bei 2 liegt, und bleibt etwa unverändert bis das Verhältnis α gleich 10 ist, um danach, wenn das Verhältnis α größer als 10 ist, langsam wieder abzufallen.
Es hat sich herausgestellt, daß die Hohlräume des Standes der Technik, zum Beispiel jene die in den vorher genannten Druckschriften beschrieben werden, ein Verhältnis α aufweisen, das zwischen 2 und 10 liegt, und folglich dem ungünstigten Fall entsprechen.
Eine schwierig umzusetzende Lösung besteht darin, die Hohlräume abzudecken.
Eine weitere Lösung besteht darin, sich dem Fall anzunähern, bei dem das Verhältnis α gleich 1 ist. Diese Lösung ist gleichermaßen schwierig umzusetzen, weil dies entweder auf eine Verringerung der Breite 1, die im allgemeinen mit einem Spiel versehen ist, oder auf eine Erhöhung des Volumens des Hohlraumes, was für die innere Gestaltung des Fahrzeuges ungünstig ist, hinausläuft.
Eine weitere Lösung wird in der Druckschrift FR 91 13 510 der Anmelderin angegeben.
Die Druckschrift FR 91 13 510 der Anmelderin beschreibt Mittel, die es ermöglichen den Fahrwiderstand, der durch Hohlräume hervorgerufen wird, zu vermindern, welche Mittel für einen Hohlraum wenigstens ein nahe des Hohlraumes, aber nicht gegenüber dieses Hohlraumes, angeordnetes Profil aufweisen, wobei das Profil in einem bestimmten Abstand von der Außsenfläche des Zuges gehalten wird und dieser Abstand es ermöglicht, den Fahrwiderstand zu vermindern.
An dieser Lösung ist nachteilig, daß die Profile in einem relativ großen Abstand von dem Hohlraum und in einer relativ großen Höhe gegenüber der Wand angeordnet werden müssen. Diese Lösung beinhaltet Probleme bezüglich des Raumbedarfes und der äußeren Umgrenzung des Fahrzeugs.
Es ist das Verdienst der Anmelderin eine Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes eines Hohlraumes in einer Strömung vorzuschlagen, welche die Größen des Hohlraumes und die Umgrenzung des Fahrzeuges in Betracht zieht.
Mit anderen Worten, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes wird es nicht notwendig, daß die Größe des Hohlraumes verändert und die Umgrenzung des Fahrzeuges merklich erhöht wird.
Erfindungsgemäß weist das Fahrzeug entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Vorrichtung zur befriedenden Verminderung des Luftwiderstandes mit den folgenden Merkmalen auf:
- die Lamelle ist in paralleler Richtung zur Fahrzeugwand angeordnet;
- für die Lamelle gilt:
0 ≤ a/c ≤ 1
0,05 ≤ c/1 ≤ 0,5
0 ≤ d/E ≤ 0,1
0,03 ≤ e/E ≤ 0,07
- der Buchstabe 1 bezeichnet die Breite des Hohlraumes,
- der Buchstabe a bezeichnet die Länge des Teils der Lamelle, der über dem Hohlraum über den Rand hinausgeht,
- der Buchstabe c bezeichnet die Breite der Lamelle,
- der Buchstabe d bezeichnet die Dicke der Lamelle,
- der Buchstabe e bezeichnet den Abstand zwischen der Fahrzeugwand und der Lamelle,
- der Buchstabe E bezeichnet die Dicke der begrenzten Schicht der Strömung stromaufwärts des Hohlraumes.
Für die Lamelle könnte gelten:
a/c ist gleich zu 0,33;
c/l ist gleich zu 0,21;
d/E ist gleich zu 0,028; und
e/E ist gleich zu 0,043.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung treten durch die Beschreibung der Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes eines Hohlraumes in einer Strömung hervor, wobei die Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt, die zeigen:
- die Fig. 1 zeigt eine Kurve, die für eine gegebene Breite 1 des Hohlraumes, die unterschiedlichen Werte des Luftwiderstandes T als Funktion der Werte des Verhältnisses α darstellt;
- die Fig. 2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes eines Hohlraumes in einer Strömung;
- die Fig. 3 zeigt zwei Kurven, die den jeweiligen Wert des Luftwiderstandes T als Funktion der Werte des Verhältnisses α darstellen, wenn der Hohlraum mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes ausgestattet, oder aber nicht ausgestattet ist.
Die oben beschriebene Fig. 1 zeigt eine Kurve C1, die für eine gegebene Breite 1 eines Hohlraumes im Stand der Technik, die unterschiedlichen Werte des Luftwiderstandes T als Funktion der Werte für das Verhältnis α darstellt.
Die Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes eines Hohlraumes in einer Strömung;
Der Hohlraum 1 wird durch eine erste 2 und eine zweite 3 Wand eines Fahrzeugs 8 begrenzt, wodurch ein erster 4 und ein zweiter 5 Rand des Hohlraumes entsteht.
In der Fig. 2 bezeichnet der Buchstabe 1 die Breite des Hohlraumes 1 und der Buchstabe P seine Tiefe.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes eines Hohlraumes 1 in einer Strömung 6 eine Lamelle 7 auf, die stromaufwärts des Hohlraumes 1 und rittlings auf wenigstens einem der Ränder 4, 5 und auf der entsprechenden Wand 2, 3 des entsprechenden Fahrzeugs 8, 9 und nahe der genannten Wand 2, 3 angeordnet ist.
Die Lamelle 7 ist vorzugsweise parallel zur Wand 2, 3 des Fahrzeugs 8, 9 angeordnet.
In der Fig. 2 bezeichnen die Buchstaben a, c, d und e:
- der Buchstabe a bezeichnet die Länge des Teils der Lamelle, der über dem Hohlraum über den Rand hinausgeht,
- der Buchstabe c bezeichnet die Breite der Lamelle,
- der Buchstabe d bezeichnet die Dicke der Lamelle,
- der Buchstabe e bezeichnet den Abstand zwischen der Fahrzeugwand und der Lamelle,
- der Buchstabe E bezeichnet die Dicke der begrenzten Schicht der Strömung stromaufwärts des Hohlraumes.
Das Buch mit dem Titel BOUNDARY LAYER THEORY von Schlichting, verlegt 1968 im Verlag McGRAY-HILL, New York, definiert eine begrenzte Strömungsschicht.
Die Erfindung besteht in einer Auswahl unter einer unendlichen Zahl von Verhältnissen zwischen den verschiedenen Größen der Lamelle.
Weiter unten gibt die Tabelle 1, für Werte des Verhältnisses α von größer oder gleich 2 und kleiner oder gleich 20, die bevorzugten optimalen Werte für unterschiedliche Verhältnisse zwischen verschiedenen Größen der Lamelle.

Tabelle 1

Verhältnis Wert
a/c 0,33
c/l 0,21
d/E 0,028
e/E 0,043
Die Größen und die Lage der Lamelle können ein wenig um die oben angebenen optimalen Werte variieren, ohne dabei den wegen des Vorhandenseins der Lamelle durch den Widerstandswert erreichten Nutzen wesentlich zu schmälern.
Weiter unten gibt die Tabelle 2 die Wertebereiche für unterschiedliche Verhältnisse zwischen den Größen der Lamelle an, für welche sich der wegen des Vorhandenseins der Lamelle durch den Widerstandswert erreichte Nutzen nich wesentlich schmälert. Tabelle 2
Diese Auswahl der Verhältnisse zwischen den Größen der Lamelle hat die unerwartete Wirkung, daß der Nutzen auf den, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes erhaltene, Widerstand bei ungefähr 30 bis 40% liegt, wobei der Eigenwiderstand der Lamellen mit einbezogen wurde.
Es ist beobachtet worden, daß die stromaufwärts des Hohlraumes angeordnete Lamelle die Geschwindigkeitsschwankungen oberhalb des Hohlraumes verringert. Dies heißt, daß die Lamelle das Überschneiden der Strömung in diesem Bereich vermindert und folglich die, durch, die im Hohlraum vorhandene, Fluidströmung übertragene Energiemenge verringert.
Es erscheint, daß für Werte von α zwischen 1,5 und 20, und vor allem zwischen 2 und 10, diese Energiemenge besonders erhöht ist, wenn der Hohlraum nicht mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist, während diese für Werte von α unterhalb von 1,5 vergleichsweise gering ist. Aus dem Vorhergenden wird klar, warum die erfindungsgemäße Vorrichtung effizient ist, wenn α zwischen 1,5 und 20 liegt.
Der Luftwiderstand, des so ausgestatteten Hohlraumes nähert sich also jenem an, den der Hohlraum hätte, wenn das Verhältnis α gleich 1 wäre.
Zusätzliche Versuche haben überraschenderweise gezeigt, daß wenn das Verhältnis α gleich 1 ist, die Vorrichtung den Widerstand des Hohlraumes nicht verändert, wenn der Eigenwiderstand der Lamellen mit einbezogen wurde.
Die Fig. 3 zeigt eine Kurve C2, die als Funktion der Werte des Verhältnisses α, die unterschiedlichen Werte für den Luftwiderstand T darstellt, wenn der Hohlraum mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes ausgestattet ist. Die Kurve C1, die in der Fig. 1 dargestellt ist und als Funktion der Werte des Verhältnisses α die unterschiedlichen Werte für den Luftwiderstand T, wenn der Hohlraum nicht mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstandes ausgestattet ist, veranschaulicht, ist in die Fig. 3 wieder mit aufgenommen.
Die Lamellen werden auf der Außenfläche des Fahrzeugs durch bekannte Haltemittel dauerhaft befestigt (nicht dargestellt). Die Halterungen selbst können an den Fahrzeugen durch Nietung oder Verschweißung befestigt sein.
Die Lamellen und ihrer Halterungen können aus dem gleichen Material bestehen, wie jenes das zur Herstellung der Fahrzeuggehäuse verwendet wurde.

Claims

1. Fahrzeug (8, 9), insbesondere Bahnfahrzeug, mit einer Außenfläche (2, 3) entlang der eine Luftströmung (6) erzeugt wird, die einen Hohlraum (1) und eine Vorrichtung (7) zur Verminderung des durch diesen Hohlraum (1) erzeugten Luftwiderstandes aufweist, wobei der genannte Hohlraum (1) einen Vorderrand (4) und, in Richtung der Luftströmung vom Vorderrand (4) getrennt, einen Hinterrand (5) aufweist, und wobei die Vorrichtung eine parallel zur Außenfläche (2, 3) des Fahrzeugs gerichtete und rittlings auf dem Vorderrand (4) des Hohlraumes angeordnete Lamelle (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass für die genannte Lamelle (7) und ihre Anordnung gilt:

0 ≤ a/c ≤ 1 0,05 ≤ c/l ≤ 0,5 0 ≤ d/E ≤ 0,1 0,03 ≤ e/E ≤ 0,07

mit:

- 1 bezeichnet die Breite des Hohlraumes (1) zwischen dem Vorderrand (4) und dem Hinterrand (5) längs der Richtung der Luftströmung (6)

- a bezeichnet den Längenabschnitt der Lamelle (7), der sich längs der Richtung der Lufströmung (6) mit dem Hohlraum (1) überschneidet

- c bezeichnet die Länge der Lamelle (7) längs der Richtung der Luftströmung (6)

- d bezeichnet die Dicke der Lamelle (7) senkrecht zur Richtung der Luftströmung (6)

- e bezeichnet den Abstand zwischen der Lamelle (7) und der Außenfläche (2, 3) des Fahrzeugs (8, 9) senkrecht zur Richtung der Luftströmung (6)

- E bezeichnet die Dicke der begrenzten Schicht der Luftströmung stromaufwärts des Hohlraumes (1) der Außenfläche des Fahrzeuges (2, 3).

2. Fahrzeug (8, 9) nach Anspruch 1, bei welchem für die Lamelle (7) gilt:

a/c beträgt 0,33; c/l beträgt 0,21; d/E beträgt 0,028; und e/E beträgt 0,043.