KR101372431B1 - 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치 - Google Patents

고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 열차의 전두부 차량의 구조를 개선하여 고속 열차의 주행시 발생하는 공기저항을 저감함으로써 주행성능을 향상시킬 수 있는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치에 관한 것으로; 고속 열차의 전두부에 일정간격으로 형성되는 다수의 딤플과, 상기 고속 열차의 전두부에 상기 딤플을 커버 할 수 있는 가림부와 딤플이 공기중에 노출되도록 하는 개구부가 교대로 형성되는 커버체;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고속 열차의 전두부에 딤플(dimple)을 형성하여 열차가 주행시에 딤플에 의해 난류경계층이 형성되며 열차표면에서 유동 박리가 뒤쪽에서 일어나게 되어 딤플이 없는 전두부보다 유동박리 후의 후류 영역이 작아져 압력저항을 줄여주어 공기저항을 줄이는 효과가 있다. 특히 주행중 공기저항을 줄여줌으로써 열차의 주행을 위한 에너지 낭비를 줄여주고, 선로 주변의 소음 및 차내 소음 역시 줄여 줄여주는 효과도 있다.

Description

고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치 { Device for variable dimple type reducing the aerodynamic drag of high speed train }
본 발명은 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 고속 열차의 전두부 차량의 구조를 개선하여 고속 열차의 주행시 발생하는 공기저항을 저감함으로써 주행성능을 향상시킬 수 있는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치에 관한 것이다.
최근 자동차의 급격한 증가와 도로 교통의 정체 등 타 육상교통 수단이 한계에 이르면서, 철도에 대한 수요 증가로 인한 철도의 공급이 확대됨에 따라 대량 대중교통 수단으로서 철도의 안전성과 신뢰성의 확보가 더 절실히 요구되고 있다.
철도차량은 통상 다수의 차량이 연속적으로 연결되는 구조로 이루어진다.
이와 같은 철도차량은 주행중 공기저항이 발생하게 되는데, 공기저항은 철도차량의 주행속도가 빨라질수록 증가하며 대략 주행속도의 제곱에 비례하고, 고속 열차에서는 공기저항이 주행저항의 대부분을 차지하는 것으로 알려져 있다.
한편, 철도차량에서 발생되는 공기저항은 크게 전두부 차량에서 발생하는 공기저항과, 차량을 지지하는 대차 하부에서의 난류 유동에 의한 저항과, 차량간 연결부에서의 와류에 의한 저항과, 후미부 차량에서의 박리에 의한 저항 등으로 구분된다.
이때, 전두부 차량에서 발생하는 압력저항을 줄이기 위해 종래에는 고속 열차의 전두부를 단순히 유선형에 가까운 형태로 형성하여 공기저항을 감소하였으나, 외형을 변형하여 공기 저항을 줄이는 것은 한계가 있기 때문에 일정 이상의 효과를 얻기는 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 고속 열차가 주행시에 공기저항을 보다 줄여주도록 하여 고속 열차가 좀더 빠른 속도로 안정적인 주행이 가능토록 하기 위한 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
고속 열차의 전두부에 일정간격으로 형성되는 다수의 딤플과; 상기 고속 열차의 전두부에 상기 딤플을 커버할 수 있는 가림부와, 딤플이 공기중에 노출되도록 하는 개구부가 교대로 형성되는 커버체;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치를 제공한다.
이때, 상기 딤플은 고속 열차의 전두부에 사선방향으로 형성되고, 상기 가림부와 개구부는 상기 딤플을 개폐가능토록 사선방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 딤플은 고속 열차의 전두부에 열차의 길이 방향으로 일렬로 형성되고, 상기 가림부와 개구부는 상기 딤플을 개폐가능토록 열차의 길이 방향으로 일렬로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 커버체는 고속 열차의 전두부 내측에 구비되는 회전력 제공 수단에 의해 회전하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 회전력 제공 수단은 감속용 모터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전력 제공수단은 제어수단에 의해 제어되되, 상기 제어수단은 고속 열차의 속도를 감지하는 속도감지기로부터 속도신호를 감지하고 그 속도 신호에 따라 상기 회전력 제공수단을 제어하여 상기 회전체를 회전시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어수단은 고속 열차의 속도 대역에 따라 상기 딤플의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어수단은 고속 열차의 운행을 제어하는 차상제어기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고속 열차의 전두부에 딤플(dimple)을 형성하여 열차가 주행시에 딤플에 의해 난류경계층이 형성되며 열차표면에서 유동 박리가 뒤쪽에서 일어나게 되어 딤플이 없는 전두부보다 유동박리 후의 후류 영역이 작아져 압력저항을 줄여주어 공기저항을 줄이는 효과가 있다.
특히, 주행중 공기저항을 줄여줌으로써 열차의 주행을 위한 에너지 낭비를 줄여주고, 선로 주변의 소음 및 차내 소음 역시 줄여 줄여주는 효과도 있다.
도 1은 매끄러운 공과 골프공의 공기 저항 차이를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 KTX 열차의 축방향 면적 변화를 축대칭으로 상사한 모델 및 시험모델을 도시한 도면이다.
도 3은 고속 열차의 공기저항 저감을 위한 딤플형 열차 모델의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 고속 열차의 공기저항 저감을 위한 딤플형 열차 모델의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 5는 고속 열차의 공기저항 저감을 위한 딤플 전두부 열차 모델을 도시한 도면이다.
도 6은 개활지에서 목표속도 200km/h, 발사압력 7.00kgf/cm2으로 열차 모델을 발사시 다양한 모델들의 주행저항을 도식화한 도면이다.
도 7은 개활지에서 목표속도 300km/h, 발사압력 10.30kgf/cm2으로 열차 모델을 발사시 다양한 모델들의 주행저항을 도식화한 도면이다.
도 8은 개활지에서 목표속도 400km/h, 발사압력 15.10kgf/cm2으로 열차 모델을 발사시 다양한 모델들의 주행저항을 도식화한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치의 다른 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치를 설명하기 위해 도시한 상세 구성도이다.
본 발명에 따른 고속열차의 공기저항 저감장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 매끄러운 공과 골프공의 공기 저항 차이를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 KTX 열차의 축방향 면적 변화를 축대칭으로 상사한 모델 및 시험모델을 도시한 도면이고, 도 3은 고속 열차의 공기저항 저감을 위한 딤플형 열차 모델의 일 예를 도시한 도면이고, 도 4는 고속 열차의 공기저항 저감을 위한 딤플형 열차 모델의 다른 예를 도시한 도면이고, 도 5는 고속 열차의 공기저항 저감을 위한 딤플 전두부 열차 모델을 도시한 도면이고, 도 6은 개활지에서 목표속도 200km/h, 발사압력 7.00kgf/cm2으로 열차 모델을 발사시 다양한 모델들의 주행저항을 도식화한 도면이고, 도 7은 개활지에서 목표속도 300km/h, 발사압력 10.30kgf/cm2으로 열차 모델을 발사시 다양한 모델들의 주행저항을 도식화한 도면이고, 도 8은 개활지에서 목표속도 400km/h, 발사압력 15.10kgf/cm2으로 열차 모델을 발사시 다양한 모델들의 주행저항을 도식화한 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면이고 도 10은 본 발명에 따른 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치의 다른 예를 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 11은 본 발명에 따른 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치를 설명하기 위해 도시한 상세 구성도이다.
먼저, 도 1을 참고하면 딤플이 없는 매끄러운 공(1)은 공의 면을 따라 흐르는 유동에서 박리가 일찍 일어나기 때문에 공(1) 뒤쪽의 후류가 두껍고 크게 된다.
반면에 골프공(2)의 경우에는 표면에 딤플(dimple)이 형성되어 있어 층류 경계층 뿐만 아니라 난류 경계층까지 형성되며 표면 유동경계층의 박리를 뒤쪽으로 옮겨가게 하여 공(2) 뒤쪽에 형성되는 후류가 얇아지고 작아진다. 공(2)의 앞쪽은 공기 압력이 높고 후류 영역은 압력이 낮다.
따라서, 후류 영역이 얇고 작은 골프공(2)이 압력저항(공기저항)을 덜 받기 때문에 딤플이 없는 매끄러운 공(1)에 비해 더 빠르고 멀리 날아간다. 그래서, 이러한 골프공(2)의 표면에 형성된 딤플을 고속 열차에 적용하여 공기압력의 저감 효과를 시험하였다.
우선, 도 2a 및 도 2b는 일반적인 전두부(12) 형태를 갖는 시험용 열차모델(10)이고, 도 3은 시험용 열차모델(20)의 전두부(22)에 딤플(110)을 지그재그로 가공한 상태(딤플 01형)로 제작하고, 도 4는 시험용 열차모델(30)의 전두부(22)에 딤플(110)을 일렬로 가공한 상태(딤플 02형)로 제작한 후, 일반적인 표준 고속 열차의 모델(1) 및 다른 형태의 고속 열차의 모델들과 비교시험을 하였다. 이때, 딤플 01형 및 딤플 02형의 단면 구조는 도 5에 도시된 딤플 전두부 열차 모델과 동일하다.
개활지(開豁地) 실험에서의 열차모델은 [표 1]에서와 같다.
Index 모델 설명
case A 표준형 KTX 열차모델
case B 딤플01형[전두부만 딤플 지그재그 가공]
case C 딤플02형[전두부만 딤플 일렬 가공]
case D 황새치(돛새치) 전두부 열차모델[전두부에 앞창(spear) 장착]
case E 마이크로 구조 리브렛 열차모델[채색 코팅]
case F 자기표면 세정 연꽃잎 나노구조 표면 열차모델[투명 코팅]
상기 시험 열차모델별 주행저항을 계측한 결과는 다음과 같다.
이때, 주행저항(R)은 아래의 식(1)을 참고하면 열차모델 주행 시에 열차모델 주행방향에 반대로 작용하는 힘이다.
Figure 112012035077009-pat00001
------ (식1)
한편, 시험 열차모델별 주행저항을 계측하는 실험에서 주행저항(R)을 구하기 위한 가속도(a)는 레이저 센서들의 첫 번째 구간과 마지막 구간인 다섯 번째 구간의 속도 값과 그 구간에서의 통과 시간으로 구하였다[a=(V5-V1)/(t5-t1)].
여기서, 열차모델의 질량(m)은 전체 열차모델에 대하여 0.445㎏으로 동일하다.
이상의 조건하에 개활지에서 목표속도 200km/h, 발사압력 7.00kgf/cm2으로 발사시 다양한 모델들(case A ~ case F)의 주행저항을 측정한 결과는 도 3에 도시된 바와 같다. 이에 의하면 200km/h 주행시험에서 표준형 열차모델인 case A의 주행저항이 3.50N인데 반해, 나머지 열차모델들(case B ~ case F)은 표준형 열차모델(case A)의 주행저항에 비해 주행저항이 더 크게 나타났다.
그리고, 개활지에서 목표속도 300km/h, 발사압력 10.30kgf/cm2으로 발사시 다양한 모델들(case A ~ case F)의 주행저항을 측정한 결과는 도 4에 도시된 바와 같다. 이에 의하면 300km/h 주행시험에서 표준형 KTX 열차모델인 case A의 주행저항이 6.93N인데 반해, case B(딤플01 전두부)는 5.78N과 case D(황새치 전두부)는 6.37N으로 표준형 KTX 열차모델(case A)보다 주행저항이 감소되었다. 또한, case B와 case D 이외의 열차모델들(case C, case E 및 case F)은 300km/h 주행시험에서 표준형 KTX 열차모델(case A)보다 주행저항이 크게 나타났다.
나아가, 개활지에서 400km/h, 발사압력 15.10kgf/cm2으로 발사시 다양한 모델들(case A ~ case F)의 주행저항을 측정한 결과는 도 5에 도시된 바와 같다. 이에 의하면 400km/h 주행시험에서는 표준형 KTX 열차모델인 case A의 주행저항이 11.35N인데 반해, case F(연꽃잎 나노구조, 주행저항 5.7% 증가)만 제외하고 표준형 KTX 열차모델보다 전부 주행저항 값이 감소되었다. case D(황새치 전두부)는 19.4%의 주행저항 감소를 보이고 있으나, 나머지 case B(딤플01형)과 case C(딤플02형) 및 case E(리블렛)는 각각 8.6%와 8.3% 및 6.3%의 주행저항 감소를 보이고 있다.
이상의 다양한 열차모델별 주행저항 시험결과는 다음과 같다.
즉, 딤플01형 열차모델인 case B의 경우에는 200km/h 주행시험에서 주행저항이 25.4% 증가되었지만, 300km/h와 400km/h의 고속 주행시험 결과에서 각각 16.6%와 8.6%의 주행저항 감소를 보이고 있다.
즉, 300km/h 영역에서 가장 주행저항 감소가 컸다. 이러한 계측결과는 주행속도 대역별로 전두부에 가공된 딤플(dimple)의 크기와 딤플의 간격이 주행저항 저감의 주요인자로 작용할 수 있다고 할 수 있다.
다음으로 황새치 전두부 열차모델인 case D의 경우에는 200km/h 주행시험에서는 황새치 전두부의 case D 열차모델이 6.0%의 주행저항 증가를 보인다. 그러나 황새치 전두부 열차모델(case D)은 200km/h 주행시험에서와 달리, 300km/h와 400km/h의 고속 주행시험 결과에서 황새치 전두부 열차모델(case D)이 초고속으로 갈수록 각각 8.1%와 19.4%의 주행저항 감소로, 주행저항이 속도증가에 따라 더욱 저감되는 양상을 보이고 있다.
이에, 전술한 바와 같이, 딤플 전두부 열차모델(case B, case C)을 적용하여 도 9에 도시된 바와 같이 고속 열차(100)의 전두부(102)에 딤플(110)을 구비하게 되면, 고속 열차(100)의 주행시 공기의 저항을 효과적으로 줄일 수 있다.
이에 더하여, 딤플(110)을 커버할 수 있는 커버체(120)를 구비함으로써, 고속 열차(100)가 주행하는 속도를 감지하여 속도 대역(예를 들어 250㎞/h급, 300km/h급, 350㎞/h급, 400㎞/h급, 450㎞/h급, 500㎞/h급, 550㎞/h급...)에 따라 커버체(120)를 회전시켜 딤플(110)을 개폐한다.
즉, 고속 열차의 주행 속도가 느릴 때에는 커버체(120)를 회전시켜 딤플(110)을 커버함으로써 딤플(110)이 공기중에 노출되지 않도록 하고, 고속 열차의 주행 속도가 빠를 때에는 커버체(120)를 회전시켜 딤플(110)이 공기중에 노출되도록 하여 난류경계층을 발생시켜 유동경계층의 박리를 뒤로 가게 하여 공기 저항을 줄여주게 된다.
이하, 도 9 내지 도 11을 참고로 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치는 고속 열차(100)의 전두부(102)에 다수의 딤플(110)을 일정간격으로 형성하여 고속 열차(100)의 주행중 발생하는 공기 저항을 저감한다.
이때, 도 9에는 딤플(110)이 고속 열차(100)의 전두부(102)에 지그재그(사선방향)로 형성되고, 도 10에는 딤플(110)이 고속 열차(100)의 전두부(102)에 열차의 길이 방향으로 일렬로 형성된다.
이와 같은 고속 열차(100)의 전두부(102)에는 딤플(110)을 커버할 수 있는 가림부(121)와 딤플(110)이 공기중에 노출되도록 하는 개구부(122)가 교대로 형성되는 커버체(120)가 구비된다.
상기 커버체(120)는 고속 열차(100)의 전두부(102)를 전체적으로 감싸며 회전 가능한 구조로 이루어지며 가림부(121)와 개구부(122)가 일정간격을 유지하며 형성된다.
이때, 상기 가림부(121)는 띠 형상으로 이루어지고 상기 개구부(122)는 장공 형상으로 이루어지며, 상기 가림부(121)의 전단부는 헤드부(123)의 테두리에 일체로 연결되고 상기 가림부(121)의 후단부는 고정부(124)에 일체로 연결된다.
특히, 도 9에는 딤플(110)이 고속 열차(100)의 전두부(102)에 지그재그(사선방향)로 형성되므로 가림부(121)와 개구부(122) 역시 사선방향으로 형성되며, 도 10에는 딤플(110)이 고속 열차(100)의 전두부(102)에서 후측으로 일렬로 형성되므로 가림부(121)와 개구부(122) 역시 일렬로 형성된다.
이와 같은 구조에 의하면 커버체(120)를 축 방향으로 회전시켜 딤플(110)의 상부에 가림부(121)가 위치하면 딤플(110)이 가려지고, 딤플(110)의 상부에 개구부(122)가 위치하면 딤플(110)이 외부로 노출된다.
그리고, 상기 커버체(120)를 고속 열차(100)의 축 방향으로 회전시키기 위한 회전력 제공 수단(130)이 고속 열차(100)의 전두부(102) 내측에 구비된다. 상기 회전력 제공 수단(130)은 감속용 모터를 사용함이 바람직하다.
이때, 상기 회전력 제공 수단(130)은 제어수단(140)에 의해 그 동작이 제어된다. 또한 상기 제어수단(140)은 고속 열차(100)의 속도를 감지하는 속도감지기(150)로부터 속도신호를 감지하고 그 속도신호에 따라 상기 회전력 제공 수단(130)을 제어하여 커버체(120)의 회전을 제어하여 열차의 주행중 공기 저항을 최소화한다.
이와 같은 제어수단(140)은 고속 열차(100)의 운행을 제어하는 차상제어기로 구성하여, 상기 회전력 제공 수단(130)을 제어한다.
따라서 고속 열차(100)의 전두부(102)에 딤플(110)을 구비하여 열차의 고속 주행시에 공기저항을 안정적으로 줄여주게 되며, 이때, 고속 열차(100)의 속도 대역에 따라 딤플(110)의 개폐를 조절하도록 함으로써, 고속 열차의 운행중 가해지는 공기저항을 줄여 줄 수 있다.
즉, 상기 제어수단(140)은 설정된 속도(예를 들어 300km/h)를 초과하면 열차가 운행중인 경우에는 딤플(110)이 공기 중에 노출되도록 제어하고, 설정된 속도 이하로 열차가 운행중인 경우에는 딤플(110)이 가려지도록 회전력 제공 수단(130)을 제어한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
100: 고속 열차 102: 전두부
110: 딤플 120: 커버체
121: 가림부 122: 개구부
123: 헤드부 124: 고정부
130: 회전력 제공 수단 140: 제어수단
150: 속도감지기

Claims (8)

  1. 고속 열차의 전두부에 일정간격으로 형성되는 다수의 딤플과;
    상기 고속 열차의 전두부에 상기 딤플을 커버할 수 있는 가림부와, 딤플이 공기중에 노출되도록 하는 개구부가 교대로 형성되는 커버체;로 이루어지는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치에 있어서,
    상기 커버체는 고속 열차의 전두부 내측에 구비되는 회전력 제공 수단에 의해 회전하고,
    상기 회전력 제공수단은 제어수단에 의해 제어되되,
    상기 제어수단은 고속 열차의 속도를 감지하는 속도감지기로부터 속도신호를 감지하고 그 속도 신호에 따라 상기 회전력 제공수단을 제어하여 상기 커버체를 회전시키는 것을 특징으로 하는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 딤플은 고속 열차의 전두부에 사선방향으로 형성되고,
    상기 가림부와 개구부는 상기 딤플을 개폐가능토록 사선방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 딤플은 고속 열차의 전두부에 열차의 길이 방향으로 일렬로 형성되고,
    상기 가림부와 개구부는 상기 딤플을 개폐가능토록 열차의 길이 방향으로 일렬로 형성되는 것을 특징으로 하는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 회전력 제공 수단은 감속용 모터인 것을 특징으로 하는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제어수단은 고속 열차의 속도 대역에 따라 상기 딤플의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어수단은 고속 열차의 운행을 제어하는 차상제어기인 것을 특징으로 하는 고속 열차의 가변 딤플형 공기저항 저감장치.
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