KR100358023B1 - 유동부의공동의공기항력을감소시키는장치와이장치를갖춘차량및철도차량 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동부(6)내의 공동(1)의 공기항력을 감소시키는 장치에 관한 것으로, 이 장치는 공동의 모서리(4, 5)중 적어도 하나와 대응 차량(8, 9)의 대응 벽(2, 3)에 중첩되고 상기 벽(2, 3)에 인접하게 위치하여 배열된 블레이드(7)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 장치를 구비한 차량, 특히 철도차량에도 관계한다.

Description

유동부의 공동의 공기항력을 감소시키는 장치와 이 장치를 갖춘 차량 및 철도차량{A device for Reducing the Aerodynamic Drag of a Cavity in a Flow, and a Vehicle, in Particular a Rail Vehicle, Provided with Such a Device}

본 발명은 차량, 특히 철도차량의 공기역학적 형상을 변경시킬 수 있는 장치, 즉 공동에 의해 그 외측표면에 발생된 이동(주행)에 대한 저항을 변경시키는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유동부의 공동의 공기항력을 감소시키는 장치와, 이러한 장치를 갖춘 차량, 특히 철도차량에 관한 것이다.

운송차량, 특히 철도차량에서는 견인장치의 크기를 감소시키고 에너지 소모를 제한하도록 이동에 대한 저항을 감소시킬 필요가 있다.

이 방식에서는 형상을 가능한 한 공기역학적으로 하려고 했다. 그러나, 열차의 외측표면은 차량들 사이의 갭, 집전기 수납격실 및 본체 하부의 보우기 격실(bogic bays)과 같은 여러 공동을 갖는데, 이들은 모두 열차 주행에 장애가 되며 소음 정도를 증가시킨다.

고속에서는 주행에 대한 저항의 대부분이 차량의 공기항력에 기인한다.

이 항력의 일부는 차량의 외측 유선형 외관의 형상, 특히 공동의 형상 변화에 기인한다. 열차의 공기역학적 형상은 대개 열차의 차량들 사이의 갭에 의해 그리고 보우기 수납격실들에 의해 변경된다.

이러한 문제를 해결할 수 있는 종래기술의 수단은 공기역학적 연속성을 제공하도록 차량들 사이에 고무플랩을 마련하고 있다. 이 해결책의 단점은 상기 고무 플랩으로 인해 차량에 용이하게 접근할 수 없다는 것이다. 또한, 이러한 장치들은 장기간에 걸쳐 신뢰성이 없으며 보수 및 유지관리에 드는 시간을 증가시키게 된다. 이러한 단점은 고정 또는 가동 유선형 외관 시스템이 공동을 차단하도록 된 보우기 수납격실 및 집전기 수납격실에서도 나타난다. 이러한 유선형 외관은 잠재적으로는안전을 해치게 된다.

따라서, 이 형태의 공동에 의한 문제들을 만족스럽게 해결하지 못한다.

프랑스공화국 특허 명세서 FR-A-805 960에는 차량의 갭 또는 기타 장애물들에 기인한 주행에 대한 저항을 감소시키는 장치가 개시되어 있다.

상기 종래기술의 장치는 장애물이 있는 위치에서, 특히 함께 연결되도록 구성된 차량 또는 다른 차량들의 단부에서 차량상에 배열된 적어도 하나의 굴절표면을 포함한다.

이 굴절표면들은 상대 공기유동이 활주하는 차량의 표면을 연장시키도록 배열되며, 이렇게 배열됨으로써 상기 굴절표면들은 난류구역을 생성하게 되는 장애물 안으로의 공기 침투를 방지함으로써 상대 공기유동을 더욱 균일하게 할 수 있다.

상기 FR-A-805 960의 종래기술은 굴절표면들이 상대 공기유동의 평면에 위치하는 것, 즉 이들이 차량의 벽을 따라 연장되는 것을 기재하고 있다. 굴절표면들은 약간 뒤에 고정될 수도 있으나 원리적으로는 벽에 대하여 외측으로 돌출되지 않아야 한다.

상기 특허 명세서에 기재되어 있는 것처럼 굴절표면의 기본적인 기능은 공기 스트림을 외측으로 편향시키는 것이다. 상기 특허 명세서로부터 굴절표면은 편향기로서의 작용만 하며 공동 내부의 공기의 유동에 기술적인 영향은 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.

벨기에 특허 명세서 BE-A-417 270에는 가동 보우기를 유선형 외관으로 하기위한 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 여러 각도위치에 놓일 수 있도록 그 위치가가변적이고 요동축을 중심으로 힌지됨으로써 가동 본체의 이동에 대한 저항을 감소 또는 증가시킬 수 있는 부재로부터 이루어지는 굴절표면을 포함한다.

상기 특허 명세서에 기재되어 있는 것처럼 굴절표면의 기본적인 기능은 공기 스트림을 측방향으로 편향시키는 것이다. 상기 특허 명세서로부터 이 굴절표면도 편향기로서의 작용만 하며 공동 내부의 공기의 유동에 기술적인 영향은 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.

이러한 형태의 공동에 의해 야기되는 문제는 다음의 이유로 만족스럽게 해결되지 않는다.

공동의 공기항력이 그 폭 1을 깊이 P로 나눈 비율 α의 범위에 따라 달라진다는 것은 공지의 사실이다.

제1도에 도시된 것처럼 소정의 폭 1에 대하여 항력은 비율 α가 1에 가까운 값을 가질 때 최소로 된다. 이 항력의 값은 비율 α가 2에 가까울 때 갑자기 두배로 되며, 비율 α가 10일 때까지 거의 일정하게 유지되다가 비율 α가 10보다 커지면 서서히 감소한다.

종래기술, 즉 상기 특허 명세서들에 기재되어 있는 공동은 2 내지 10인 범위의 비율 α를 가지며, 따라서 이들은 가장 나쁜 경우에 해당한다.

그 해결책으로서 상기 공동을 폐쇄하는 방법이 있으나 그 실행은 어렵다.

또 다른 해결책은 비율 α를 1로 조정하는 것이다. 이 해결책도 수행하기가 어려운데, 그 이유는 비율 α를 1로 조정하는 것이 간격에 의해 대개 부과되는 폭 1을 감소시키거나 공동의 체적을 증가시켜야 하는 것을 의미하는데 이것이 차량 내부의 가용공간을 감소시키기 때문이다.

또 다른 해결책은 본 출원인의 프랑스 특허출원 FR 91 13 5I0에 개시되어 있다.

상기 특허출원에는 공동에 의해 발생된 주행에 대한 저항을 감소시킬 수 있는 수단이 기재되어 있다. 각 공동에서, 상기 수단은 공동에 인접하게 그러나 공동에 접하지는 않게 배열되고 열차의 외측표면으로부터 주행에 대한 저항을 감소시킬 수 있는 소정의 간격에 배열된 형상부를 포함한다.

이 해결책은 형상부들이 공동으로부터 비교적 멀리 그리고 벽으로부터 비교적 높이 배열되어야 한다는 단점을 갖는다. 따라서, 이 해결책은 차량의 전체 크기와 차량 외측의 간격에 관한 문제를 수반한다.

유동부의 공동의 공기항력을 감소시키기 위한 본 출원인의 장치는 공동의 치수 및 차량의 간격에 관한 측면에서 장점을 제공한다.

다시 말해서, 공기항력을 감소시키기 위한 상기 장치는 공동 치수를 변경시킬 것을 요하지 않으며 차량 간격이 현저하게 증가될 것도 요하지 않는다.

본 발명은 공동의 모서리중 적어도 하나와 대응 차량의 대응 벽에 중첩되고 벽의 공동에 위치하도록 배열된 블레이드를 갖는 것을 특징으로 하는 공동의 공기항력을 감소시키는 장치를 마련한다.

또한, 본 발명은 다음의 특징중 적어도 하나를 만족시켜 주는 공기항력 감소장치를 마련한다.

- 블레이드가 차량의 벽에 평행하게 배열된다.

- 블레이드가 , 0 ≤ a/c ≤ 1

0.05 ≤ c/1 ≤ 0.5

0 ≤ d/E ≤ 0.1

0.03 ≤ e/E ≤ 0.07 이 되도록 형성된다.

여기서, 1은 공동의 폭

a는 공동체 중첩되는 블레이드 부분의 길이

c는 블레이드의 폭

d는 블레이드의 두께

e는 차량의 벽과 블레이드 사이의 간격

E는 공동으로부터의 상류측 유동부의 경계층의 두께이다.

- 블레이드가, a/c는 0.33

c/1은 0.21

d/E는 0.028

e/E는 0.043 이 되도록 형성된다.

또한, 본 발명은 공동의 공기항력을 감소시키는 장치를 하나 이상 갖춘 차량, 특히 철도차량을 마련한다.

또한, 본 발명은 유동부에 대하여 공동으로부터 상류측에 하나가 배열되고 하류측에 다른 하나가 배열되도록 공동의 양측상에 대칭으로 배열되어 공동의 공기항력을 감소시키는 두개의 장치를 갖춘 차량을 마련한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 유동부의 공동의 공기항력을 감소시키는 장치에 대한 첨부도면을 참조한 이후의 상세한 설명으로부터 명확하게 이해할수 있다.

제1도는 종래기술의 공동의 소정 폭 1에 대하여 비율 α의 값의 함수로서 공기항력 T의 상이한 값들을 나타내는 그래프이다.

제2도는 유동부의 공동의 공기항력을 감소시키는 본 발명의 장치를 도시한 평면도이다.

공동(1)은 차량(8)의 제1벽(2)와 차량의 제2벽(3)에 의해 형성되며, 이로써 제1공동 모서리(4)와 제2공동 모서리(5)가 형성된다.

제2도에서, 1은 공동(1)의 폭을 P는 깊이를 나타낸다.

본 발명에 따르면, 유동부(6)의 공동(1)의 공기항력을 감소시키는 장치는 모서리(4, 5)중 적어도 하나와 대응 차량(8, 9)의 대응 벽(2, 3)에 중첩되고 상기 벽(2, 3)에 인접하게 위치하도록 공동(1)로부터 상류측에 배열된 블레이드(7)을 포함한다.

블레이드(7)은 차량(8, 9)의 벽(2, 3)에 평행하게 배열되는 것이 바람직하다.

제2도에 나타나 있는 a, c, d 및 e에서,

a는 공동에 중첩되는 블레이드 부분의 길이

c는 블레이드의 폭

d는 블레이드의 두께

e는 차량의 벽과 블레이드 사이의 간격

E는 공동으로부터의 상류측 유동부의 경계층의 두께이다.

Schlichting의 저서 "경계층 이론 (1968년, 뉴욕 맥그로-힐사)에 유동부 경계층에 대하여 정의되어 있다.

본 발명은 블레이드의 여러 치수들 사이의 비율 값의 무한수로부터 여러 값을 선택하는 것으로 이루어진다.

하기의 표 1은 비율 α가 2 이상이고 20 이하일 때 블레이드의 여러 치수들 사이의 여러 비율에 가장 적합한 값을 나타낸다.

표 1

블레이드의 치수 및 위치 블레이드를 마련함으로써 항력값에 얻어진 감소범위를 현저하게 약화시키지 않으면서 상기 소정의 최적값 주변에서 약간 변화시킬 수도 있다.

하기의 표 2는 블레이드를 마련함으로써 항력값에 얻어진 감소 범위가 현저하게 낮아지지 않게 되는 블레이드의 치수들 사이의 여러 비율값의 범위를 나타낸다.

표 2

이 방식에서 블레이드의 치수들 사이의 비율을 선택함에 있어서 예상되지 않은 효과는 블레이드들 자신의 항력을 고려하면 공기항력을 감소시키는 본 발명에 따른 장치에 의해 얻어진 항력 감소가 약 30 내지 40% 범위로 된다는 것이다.

공동으로부터 상류측에 배열된 블레이드는 공동구역에서의 속도 불안정을 감소시키는 것을 알 수 있다. 이는 이 블레이드가 상기 구역에서의 유동 전단응력을 감소시키고, 이로써 유동에 의해 공동에 존재하는 유체에 전달된 에너지의 양을 감소시키게 된다.

범위 1.5 내지 20 사이, 특히 범위 2 내지 10 사이에 존재하는 α값에 대하여 상기 에너지의 양은 공동에 본 발명의 장치가 제공되지 않았을 때는 특히 크지만, α값이 1.5 미만인 값에 대하여는 비교적 작다. 그 이유는 본 발명의 장치는 α가 1.5 내지 20일 때 효과적이기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따른 장치를 갖는 공동의 공기항력은 상기 비율 α가 1인경우에 공동이 취하는 값에 근접한다.

비율 α가 1일 때 상기 장치가 블레이드들 자신의 항력을 고려하여 공동의 항력을 변경시키지 않는 것을 나타내는 시험도 수행되었다.

제3도는 공동이 공기항력을 감소시키는 본 발명의 장치를 갖추고 있을 때 비율 α값의 함수로서 공기항력 T의 여러 값을 나타내는 곡선 C2를 도시한다. 제1도 에 도시되고 공동이 공기항력을 감소시키는 본 발명의 장치를 갖추고 있지 않을 때 비율 α값의 함수로서 공기항력 T의 여러 값을 나타내는 곡선인 C1도 제3도에 도시되어 있다.

블레이드들은 공지의 지지부(도시생략)에 의해 차량의 외측표면에 영구 고정된다. 이 지지부는 리벳결합 또는 용접에 의해 차량에 고정된다.

열차가 양방향으로 주행할 때 공동을 사용할 수 있게 하기 위하여, 공기항력을 감소시키는 본 발명에 따른 두개의 장치는 공동의 양측상에 대칭으로 배열되는데, 즉 하나는 유동부에 대하여 공동으로부터의 상류측에 다른 하나는 하류측에 배열된다.

본 발명은 유동부의 공동의 공기항력을 감소시키는 상기 장치를 갖춘 차량, 특히 철도차량에도 관계된다.

제1도는 소정의 폭 1에 대하여 비율 α의 값의 함수로서 공기항력 T의 상이한 값들을 나타내는 그래프.

제2도는 유동부의 공동의 공기항력을 감소시키는 본 발명의 장치를 수평단면으로 취한 개략도.

제3도는 공동이 공기항력을 감소시키는 본 발명의 장치를 갖추고 있는 경우 와 갖추고 있지 않은 경우에 비율 α의 값의 함수로서 공기항력 T의 값을 각각 나타내는 그래프.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 공동 2, 3: 벽

4, 5: 모서리 6: 유동부

7: 블레이드 8, 9: 차량

Claims (2)

1. 외부벽(2, 3)을 따라서 공기 유동부(6)가 생성되고 공동(1)이 존재하는 외부벽(2, 3)과, 상기 공동(1)에 의해 생성된 공기항력을 감소시키기 위한 장치를 구비한 차량(8, 9), 특히 철도 차량으로서, 상기 공동(1)은 전방 모서리(4)와 공기 유동부 방향으로 전방 모서리(4)로부터 분리된 후방 모서리(5)를 구비하고, 상기 장치는 차량의 외부 벽(2, 3)에 평행하게 배치되고 공동의 전방 모서리(4)를 중첩하는 블레이드(7)을 포함하고,

   상기 차량은 블레이드(7)가,

   0 ≤a/c ≤1

   0.05 ≤c/1 ≤0.5

   0 ≤d/E ≤0.1

   0.03 ≤e/E ≤0.07

   이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량(8, 9).

   여기서, 1은 공기 유동부(6) 방향으로 정방 모서리(4)와 후방 모서리(5) 사이의 공동(1)의 폭,

   a는 공기 유동부(6) 방향으로 공동에 중첩되는 블레이드(7) 부분의 길이,

   c는 공기 유동부(6) 방향으로 블레이드(7)의 길이,

   d는 공기 유동부(6) 방향과 수직인 블레이드(7)의 두께,

   e는 공기 유동부(6) 방향과 수직으로 차량(8, 9)의 외부벽(2, 3)과 블레이드사이의 간격,

   E는 차량의 외부벽(2, 3)에서 공동으로부터의 상류측 유동부의 경계층의 두께.
2. 제1항에 있어서, 블레이드(7)가,

   a/c는 0.33

   c/1은 0.21

   d/E는 0.028

   c/E는 0.043

   이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 차량(8, 9).