CN105398461A - 铁路列车表面空气吹拂系统 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种铁路列车表面空气吹拂系统，包括列车车头表面空气吹拂系统，及列车车厢表面空气吹拂系统两个独立的部分。二者均主要由进气口，空气增压器，驱动电动机，高压空气导管，排气气刀，电源控制器构成。通过在列车车头表面，合理分布排气气刀的位置，喷出的高压空气气流可以在车头上表面和车头两侧面形成一层保护气帘，从而改变车头表面的边界层空气流动的速度和方向，减小车头空气阻力。列车车厢表面空气吹拂系统，可以分别实现减小车体空气阻力，抗击大侧风，帮助列车紧急制动的目标。本系统不但可以减小列车整体的空气阻力，降低能耗；而且，有助于提高列车运行的稳定性和安全性。

Description

铁路列车表面空气吹拂系统
技术领域
本发明涉及铁路列车运动时空气阻力的降低。
背景技术
列车运动时会受到车轮摩擦力和空气阻力的影响。由于空气阻力的大小与列车行驶速度的平方成正比，因而，在高速行驶时，列车需要消耗更多的能量来克服空气阻力。特别是，对于高速动车组，为了克服远大于车轮摩擦力的空气阻力，往往需要配备大功率的驱动电动机。
列车在高速行驶时受到的空气阻力主要是车体表面的空气摩擦阻力，车头的迎面阻力和车尾的压差阻力。通过设计平滑的列车车体表面，封闭车厢之间连接处的表面缝隙，可以减小空气摩擦阻力。迎面阻力是空气迎头撞上车头而产生的阻力。一般通过把车头设计成流线型结构，可以降低迎面阻力。
压差阻力是由车尾的结构形状突变引起的，层流的空气气流在车尾变成湍流，形成一个压力低于周围环境大气压的负压区。车尾负压产生一个与列车行驶方向相反的力。通过改善车尾的结构造型，可以减小压差阻力。
在设计列车外形时，如高速动车组，通过优化车头、车体和车尾的空气动力学特性，可以获得较小的阻力系数，从而降低列车整体的空气阻力。
另一种改变空气动力学特性的应用是空气气帘。在一些商场或其它公共场所，门口安装的空气气帘喷出具有一定压力(速度)和流量的气流，不但可以隔绝室内和室外不同温度的空气，而且便于人员或车辆进出。冬季，空气气帘可以把供暖设备产生的热空气封闭在室内，同时把室外的冷空气挡在门外；夏季，空气气帘可以把空调系统产生的冷空气封闭在室内，同时把室外的热空气挡在门外。此外，空气气帘还能够屏蔽室外一定强度的自然风。
列车造型的流线型设计与空气气帘的屏蔽功能之间的共同之处在于，通过改变空气气流的流动方向，可以降低运动风力或自然风力对某个区域的不利影响。
发明内容
本发明设计一种铁路列车表面空气吹拂系统，包括列车车头表面空气吹拂系统，及列车车厢表面空气吹拂系统两个独立的部分。虽然二者的基本构成相同，但在安装位置，结构形式，功率大小，控制方式上均有差异。
列车车头表面空气吹拂系统，主要由进气口，空气增压器，驱动电动机，高压空气导管，排气气刀，电源控制器构成。其中，空气增压器可以是离心式，或轴流式，或复合式；也可以具有一级，两级，或多级增压结构。并且，根据车头的结构形状，空气增压器的安装位置可以是外置式(见图1A)，或内嵌式(见图2A)。
列车车厢表面空气吹拂系统，主要由进气口，空气增压器，驱动电动机，高压空气导管，排气气刀，电源控制器构成。其中，进气口可以设置在每节车厢的顶部，或下部，或底面，其开关状态是可控的。
在列车行驶时，列车车头表面空气吹拂系统的驱动电动机启动，带动空气增压器工作。车头前面的部分空气通过进气口被吸入空气增压器，经过压缩或增压之后，产生的高压空气通过高压空气导管进入排气气刀，最后从排气气刀的排气口(孔)喷出，吹拂车头上表面(或正面)和车头两侧面(见图2B)。
通过合理分布排气气刀的位置，及设定适当的气刀排气口(孔)的喷气方向，喷出的高压空气气流可以在车头上表面和车头两侧面形成一层保护气帘。这层气帘不但可以屏蔽车头前方和车头两侧运动风力(即列车行驶造成的迎面空气气流)对车头表面的冲击(撞击)，而且可以改变车头上表面和车头两侧面的边界层空气流动的速度和方向，进而影响车头表面的压力分布，以达到降低车头空气阻力的目的。
另一方面，通过优化设计进气口的结构(见图3B)，可以利用列车运动引起的车头空气压力增强效应(即运动风力)，再经过涡轮(或其它方式)增压，以便达到所需的气刀排气口(孔)压力。如果通过进一步提高驱动电动机的转速，增加吸入空气增压器的空气流量，可以在进气口处形成一个相对的负压区，从而降低作用在进气口上的阻力；在特别情况下，甚至可以在进气口处产生一个向前拉的吸引力，而不是通常的向后推的空气阻力。
为了更好地利用高压空气气流的吹拂效应，应该对具体列车的车头结构形状进行优化改进(见图4B)；同时，根据列车行驶的速度高低，通过调节驱动电动机的转速，可以改变空气增压器产生的高压空气气流的压力和流量，以便在车头上表面和车头两侧面形成合适的保护气帘(屏蔽层)；从而，最大限度地减小作用在车头上的空气阻力。
考虑到一般客货列车，或高速动车组，其车体相当长。列车运行时，车体表面的空气摩擦阻力占列车整体空气阻力的比例较大。并且，列车运行的稳定性容易受到大风的影响。可以通过在每节车厢前部安装独立的表面空气吹拂系统，其工作状态由列车总体控制系统统一控制。根据列车行驶的速度，环境风力的风向，及列车制动方式，改变每节车厢喷出的高压空气气流的压力和方向，以便达到降低列车车体空气阻力，改善列车运行稳定性的目的(见图5)。
在正常风力天气的情况下，通过在每节车厢两侧前部边缘喷气的方式，可以喷出水平向后方向的高压空气气流，影响其表面的压力分布，进而减小作用在每节车厢两侧表面上的空气阻力。
在大风天气的情况下，大侧风可能会影响列车行驶的稳定性，甚至引发翻车事故。为了降低大侧风对列车行驶安全性的不利影响，通过切换每节车厢车体表面气刀的位置，从每节车厢车体底部边缘喷出斜向(向后，向上，向外一定角度)的高压空气气流。从而，改变大侧风气流在每节车厢车体迎风侧面上的流动速度和方向，减小作用在每节车厢车体迎风侧面上的横向推力，提高每节车厢和列车整体行驶的稳定性和安全性。
此外，在列车紧急制动时，列车车头表面空气吹拂系统停止工作，可以增大作用在车头上的空气阻力。同时，通过把每节车厢表面空气吹拂系统的喷气方向，改变为从车厢两侧的前部边缘，水平向前吹气，这样一方面可以利用喷口处的反作用力，水平向后推每节车厢的车体；另一方面，由于车厢两侧空气形成湍流，可以增加作用在每节车厢表面的空气阻力。因而，可以利用增大了的列车整体空气阻力，帮助列车制动。
附图说明
图1A是圆锥形列车车头表面空气吹拂系统的结构示意图。
图中：1-空气增压器(外置式)；2-驱动电动机；3-电源控制器；4-被吸入的车头空气；5-喷出的高压空气气流；6-圆锥形列车车头正面；7-列车行驶方向；8-车顶空气气流；9-车体两侧空气气流；10-车底空气气流。
图1B是圆锥形列车车头表面空气吹拂系统的排气结构示意图。
图中：1-排气口(一个整圆出口，或多个对称分布的出口)；2-喷出的高压空气气流；3-列车车头正面投影。
图2A是偏锥流线型列车车头表面空气吹拂系统的结构示意图。
图中：1-空气增压器(内嵌式)；2-驱动电动机；3-电源控制器；4-高压空气导管；5-被吸入的车头空气；6-喷出的高压空气气流；7-偏锥流线型列车车头正面；8-列车行驶方向；9-车顶空气气流；10-车体两侧空气气流；11-车底空气气流。
图2B是偏锥流线型列车车头表面空气吹拂系统的进排气结构示意图。
图中：1-进气口；2-排气气刀；3-喷出的高压空气气流；4-列车车头弧形轮廓线；5-列车车头正面投影。
图3A是斜方板型列车车头表面空气吹拂系统的结构示意图。
图中：1-空气增压器(内嵌式)；2-驱动电动机；3-电源控制器；4-高压空气导管；5-被吸入的车头空气；6-喷出的高压空气气流；7-斜方板型列车车头正面；8-列车行驶方向；9-车顶空气气流；10-车体两侧空气气流；11-车底空气气流。
图3B是斜方板型列车车头表面空气吹拂系统的进排气结构示意图。
图中：1-进气口；2-排气气刀；3-喷出的高压空气气流；4-列车车头正面投影。
图4A是中分流线型列车车头表面空气吹拂系统的结构示意图。
图中：1-空气增压器(内嵌式)；2-驱动电动机；3-电源控制器；4-高压空气导管；5-被吸入的车头空气；6-喷出的高压空气气流；7-中分流线型列车车头正面；8-列车行驶方向；9-车顶空气气流；10-车体两侧空气气流；11-车底空气气流。
图4B是中分流线型列车车头表面空气吹拂系统的进排气结构示意图。
图中：1-进气口；2-中线排气气刀；3-风挡排气气刀；4-喷出的左右侧向高压空气气流；5-喷出的风挡高压空气气流；6-列车车头正面投影。
图5是流线型列车车头及车厢表面空气吹拂系统的结构示意图。
图中：1-空气增压器(内嵌式)；2-驱动电动机；3-电源控制器；4-高压空气导管；5-被吸入的车头空气；6-喷出的高压空气气流；7-流线型列车车头正面；8-列车行驶方向；9-车顶空气气流；10-车体两侧空气气流；11-车底空气气流；12-车厢表面空气吹拂系统(包括：空气增压器，驱动电动机，电源控制器，高压空气导管)；13-车厢车顶进气口(可控制开关状态，亦可放到车厢下部位置)；14-车厢车体两侧前部边缘排气气刀；15-喷出的水平方向高压空气气流；16-车厢车体两侧底部边缘排气气刀；17-喷出的斜向高压空气气流。
具体实施方式
对于货运列车，或一般客运列车，如果运行速度比较高，应该在对车头和车体结构进行空气动力学优化之后，安装列车车头表面空气吹拂系统，选装列车车厢表面空气吹拂系统。
对于高速动车组，应该安装列车车头表面空气吹拂系统，及列车车厢表面空气吹拂系统。减小列车整体的空气阻力，降低能耗。同时，在各种天气条件下，保证列车运行的稳定性和安全性。
根据列车车头的结构形状，列车车头表面空气吹拂系统的空气增压器可以选择内嵌式，或外置式。对于流线型列车车头，空气增压器应该内嵌在车头的最前端；对于圆锥形列车车头，空气增压器可以是外置式结构。

Claims (6)

1.一种列车车头表面空气吹拂系统，包括进气口，空气增压器，驱动电动机，高压空气导管，排气气刀，电源控制器，其特征在于排气气刀喷出的高压空气气流在车头上表面和两侧面形成一层屏蔽气帘，改变车头表面的边界层空气流动的速度和方向，进而影响车头表面的压力分布，减小车头受到的空气阻力。
2.根据权利要求1所述的一种列车车头表面空气吹拂系统，其特征在于通过提高驱动电动机的转速，增加吸入空气增压器的空气流量，在进气口处形成一个相对的负压区，从而降低作用在进气口上的阻力，甚至产生一个向前拉的吸引力。
3.一种列车车厢表面空气吹拂系统，包括进气口，空气增压器，驱动电动机，高压空气导管，排气气刀，电源控制器，其特征在于每节车厢两侧前部边缘，装有垂直的排气气刀，其排气口的排气方向是可调节的。
4.根据权利要求3所述的一种列车车厢表面空气吹拂系统，其特征在于通过从每节车厢两侧前部边缘喷出水平向后方向的高压空气气流，减小列车正常行驶过程中每节车厢两侧表面的空气摩擦阻力。
5.根据权利要求3所述的一种列车车厢表面空气吹拂系统，其特征在于通过从每节车厢两侧前部边缘喷出水平向前方向的高压空气气流，增大列车紧急制动时每节车厢两侧的空气阻力。
6.根据权利要求3所述的一种列车车厢表面空气吹拂系统，其特征在于每节车厢车体底部边缘，装有水平的排气气刀，其排气口喷出斜向的高压空气气流，降低大侧风对列车行驶安全性的不利影响。
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