KR101266980B1 - 팬터그래프 프레임 부가장치 - Google Patents

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KR101266980B1
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이동호
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이영빈
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한국철도기술연구원
서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 팬터그래프 시스템의 프레임에 부가되는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치는 팬터그래프의 프레임을 회전 가능하게 감싸는 몸체, 그리고 열차 주행 시 상기 프레임 주변의 와류 생성이 저감되게 공기의 흐름을 가이드 하도록 상기 몸체의 외주의 일측에서 외측 반경방향으로 미리 설정된 길이만큼 돌출되고 상기 몸체의 길이방향을 따라 구비되는 꼬리부를 포함하고, 상기 꼬리부는 일정한 두께의 플레이트 형상으로 돌출된다. 본 발명에 의하면, 팬터그래프 시스템의 프레임에서의 복잡한 와류 생성을 최소화하여 공기저항과 공력소음을 동시에 감소시킬 수 있어, 팬터그래프 시스템의 공력성능이 크게 향상될 수 있다.

Description

팬터그래프 프레임 부가장치{Additional device for frame of pantograph}
본 발명은 팬터그래프의 프레임에 부가되는 장치에 관한 것이다.
도 1은 기존의 팬터그래프 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 기존의 고속전철의 팬터그래프를 구성하는 프레임은 주로 원형 단면의 형상을 가지면서 외부 유동에 직접 노출되어 있어, 공력소음, 항력증가, 측풍의 영향 등과 같은 심각한 공기역학적 문제를 야기하였다. 특히, 원형 단면의 형상으로 인한 유동박리(flow separation)의 발생으로 복잡한 와류(vortex)가 형성됨으로써, 큰 저항력과 높은 레벨의 압력섭동(pressure fluctuation)이 생기게 되어 공력소음이 크게 발생하였다.
도 2는 고속열차에 있어서의 소음원(noise source)의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 이러한 공력소음은 속도의 6~8승에 비례하기 때문에 300km/h이상의 고속에서는 공력에 의한 소음이 심각한 문제가 될 수 있었다. 또한, 고속주행 시 측풍의 영향으로 팬터그래프가 가선(架線)에서 일시적으로 떨어지게 되는 이선 문제가 발생하기도 하였다.
이에 따라, 도 1에 나타난 기존의 팬터그래프 시스템의 공력성능 향상을 위해, 주로 원형 단면의 형상을 갖는 상부 암(upper arm) 및 하부 암(lower arm) 프레임에서의 복잡한 와류 생성을 감소시킬 수 있는 형상이나 장치에 대한 요구가 있어 왔다.
일본공개특허공보 1999-055804호 일본등록특허공보 제3829262호 일본등록특허공보 제3396103호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 팬터그래프 시스템의 프레임에서의 복잡한 와류 생성을 최소화하여 팬터그래프 시스템의 공력성능을 향상시킬 수 있고 팬터그래프 시스템의 프레임에 쉽게 장착될 수 있는 팬터그래프 프레임 부가장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치는 팬터그래프의 프레임을 회전 가능하게 감싸는 몸체, 그리고 열차 주행 시 상기 프레임 주변의 와류 생성이 저감되게 공기의 흐름을 가이드 하도록 상기 몸체의 외주의 일측에서 외측 반경방향으로 미리 설정된 길이만큼 돌출되고 상기 몸체의 길이방향을 따라 구비되는 꼬리부를 포함하고, 상기 꼬리부는 일정한 두께의 플레이트 형상으로 돌출된다.
상기 몸체는 열차 주행 시 상기 꼬리부에 작용되는 공기의 흐름에 대응하여 상기 프레임에 대해 회전될 수 있다.
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상기 몸체 및 상기 꼬리부의 외주는 상기 몸체의 길이방향에 수직인 단면상에서 보았을 때 상기 꼬리부가 돌출된 방향으로 뾰족한 에어포일(airfoil) 형상일 수 있다.
상기 미리 설정된 길이는 상기 프레임의 직경의 0.5배 이상이고 2배 이하일 수 있다.
본 발명에 의하면, 팬터그래프 시스템의 상부 암 및 하부 암과 같은 프레임에 본 팬터그래프 프레임 부가장치가 장착되도록 함으로써, 팬터그래프의 프레임에서의 복잡한 와류 생성을 최소화하여 공기저항과 공력소음을 동시에 감소시킬 수 있어, 팬터그래프 시스템의 공력성능이 크게 향상될 수 있다.
또한, 본 팬터그래프 프레임 부가장치는 회전 가능하게 장착됨으로써, 전철의 주행 중 측풍이 불어올 때 이러한 측풍의 힘에 의해 본 팬터그래프 프레임 부가장치의 방향이 조절될 수 있어 측풍의 영향을 감소시킬 수 있으며, 나아가 이를 통해 양 방향으로 운용되어야 하는 팬터그래프 시스템의 요구 조건이 충족될 수 있다.
또한, 기존의 팬터그래프 시스템의 프레임을 그대로 유지한 채 부가적으로 간단히 장착될 수 있어, 저비용으로 손쉽게 기존의 팬터그래프 시스템의 공력성능을 개선할 수 있다.
도 1은 기존의 팬터그래프 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 고속열차에 있어서의 소음원(noise source)의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 프레임에 장착된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 프레임에 장착된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 3c는 도 3b의 III-III선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치의 꼬리부의 길이에 따른 스트로할 수(Strouhal number)를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 프레임에 장착된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 프레임에 장착된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 5c는 도 5b의 V-V선을 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 종래의 팬터그래프 시스템과 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 적용된 팬터그래프 시스템에 대해 유동가시화 풍동실험을 수행한 결과를 프레임의 2차원 단면에 대해 나타낸 도면이다.
이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3a는 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 프레임에 장착된 상태를 나타낸 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 프레임에 장착된 상태를 나타낸 측면도이며, 도 3c는 도 3b의 III-III선을 따라 절개한 단면도이다.
도 3a 내지 3c를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치(100)는 팬터그래프의 프레임(500)을 회전 가능하게 감싸는 몸체(110)를 포함한다. 예시적으로 도 3a 및 3c를 참조하면, 이러한 몸체(110)는 내경이 프레임(500)의 직경보다 큰 원형 튜브 형상일 수 있다.
여기서 도 1을 참조하면, 프레임(500)은 팬터그래프를 구성하는 부재를 의미할 수 있다. 예를 들면, 프레임(500)은 상부 암(upper arm) 및 하부 암(lower arm)과 같은 팬터그래프의 암(arm)을 구성하는 부재일 수 있고, 팬터그래프의 팬헤드(panhead)를 구성하는 부재일 수 있다. 팬터그래프 프레임 부가장치(100)는 팬터그래프의 각 부분을 구성하는 프레임(500)에 전반적으로 적용되거나 필요에 따라 선택적으로 적용될 수 있으며, 특히 열차의 주행 시 공기의 흐름에 따라 복잡한 와류가 생성될 수 있는 영역의 프레임(500)에 효과적으로 적용될 수 있다.
이러한 몸체(110)는 열차 주행 시 후술할 꼬리부(110)에 작용되는 공기의 흐름에 대응하여 프레임(500)에 대해 회전될 수 있다. 예시적으로 도 3c에 나타난 팬터그래프 프레임 부가장치(100)는 꼬리부가 3시 방향을 향해 돌출되어 있다. 그런데 이 같은 팬터그래프 프레임 부가장치(100)에 4시 방향에서 바람이 불어온다면, 꼬리부(110)에는 4시 방향으로부터의 풍압이 작용하게 되며, 몸체(110)는 이러한 공기의 흐름에 대응하여 꼬리부(110)가 4시 방향의 반대편인 10시 방향을 향하도록 프레임(500)에 대해 회전될 수 있다.
다른 예로, 도 3c에 나타난 바와 같은 팬터그래프 프레임 부가장치(100)에 3시 방향에서 바람이 불어온다면(이를테면 9시 방향을 향해 주행하고 있던 열차가 방향을 반대로 바꾸어 3시 방향으로 주행한다면), 3시 방향으로부터의 공기의 흐름 중 전반적인 방향성을 다소 벗어나는 흐름을 갖는 일부가 꼬리부(110)의 측면을 두드림으로써 몸체(110)가 이에 대응하여 회전되어 3시 방향을 향했던 꼬리부(110)가 4시(또는 2시) 방향 정도로 살짝 돌아갈 수 있다. 꼬리부(110)가 이와 같이 3시 방향에 대해 살짝 돌아간 이후에는 꼬리부(110)의 양 측면 중 3시 방향에서 보이는 일 측면에 주로 3시 방향으로부터의 공기의 흐름으로 인한 풍압이 작용하게 되고, 몸체(110)는 이러한 공기의 흐름에 대응하여 꼬리부(110)가 3시 방향의 반대편인 9시 방향을 향하도록 프레임(500)에 대해 회전될 수 있다.
이와 같이 몸체(110)가 프레임(500)에 회전 가능하게 장착됨으로써, 주행 중 측풍이 불어올 때 이러한 측풍이 후술할 꼬리부(120)에 작용되면서 팬터그래프 프레임 부가장치(100)가 측풍의 영향을 최소화하는 방향으로 적정하게 회전될 수 있다. 또한, 몸체(110)의 프레임(500)에 대한 이러한 회전을 통해 양방향으로 운용되어야 하는 팬터그래프 시스템의 요구 조건도 충족될 수 있다.
또한 도 3a 내지 3c를 참조하면, 팬터그래프 프레임 부가장치(100)는 몸체(110)의 외주의 일측에서 외측 반경방향으로 미리 설정된 길이만큼 돌출되고 몸체(110)의 길이방향을 따라 구비되는 꼬리부(120)를 포함한다. 이러한 꼬리부(120)는 통해 열차 주행 시 와류 생성이 최소화 되도록 프레임(500) 주변의 공기의 흐름을 가이드 할 수 있도록 구비된다.
예시적으로 도 3a 및 3c를 참조하면, 꼬리부(120)는 일정한 두께를 갖는 플레이트 형상으로 몸체(110)의 외주의 일단(도 3c에서 보았을 때 오른쪽 끝단)에서 외측 반경방향으로 미리 설정된 길이만큼 돌출될 수 있다. 또한 도 3c를 참조하면, 이러한 플레이트 형상의 꼬리부(120)는 열차의 빠른 주행속도에서의 풍압에 견딜 수 있는 소정의 강성이 확보될 수 있는 두께 및 프레임(500) 주변의 와류 발생을 최소화할 수 있도록 공기의 흐름을 가이드 하는데 적합한 너무 두껍지 않은 두께로 구비됨이 바람직하다.
여기서, 미리 설정된 길이는 프레임(500)의 직경의 0.5배 이상이고 2배 이하일 수 있다. 이와 같이 꼬리부(120)의 돌출된 길이를 프레임(500)의 직경의 0.5~2배 사이로 함으로써, 스트로할 수(St=fd/U, f는 진동수(frequency), d는 직경(diameter), U는 자유유동속도(free stream velocity))와 항력계수(Cd)의 감소가 유도될 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치의 꼬리부의 길이에 따른 스트로할 수(Strouhal number)를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 프레임(500)의 직경(d)에 대한 꼬리부(120)의 길이(l)의 비가 0에서 1로 증가될수록 스트로할 수가 감소되고, 1에서 2로 증가될수록 스트로할 수가 다시 증가되고 있음을 알 수 있다. 스트로할 수가 감소한다는 것은 원형인 프레임(500) 단면에서 발생하는 주기적인 와류 발생이 감소하고 와류의 세기, 와류의 크기, 및 와류의 혼합으로 인한 난류도가 감소하였음을 의미한다. 즉, 스트로할 수의 감소는 와류 발생에 따른 압력섭동으로 인한 공력소음이 감소하였음을 의미하며, 와류의 세기와 크기 역시 감소함으로써 항력도 감소하였음을 의미한다. 즉 도 4를 참조하면, 스트로할 수가 0.20보다 작아지는 구간인 0.5<1/d<2에 대응되도록 꼬리부(120)의 길이가 미리 설정됨으로써, 공력소음 및 항력 발생을 보다 감소시킬 수 있다.
팬터그래프 프레임 부가장치(100)는 이와 같이 몸체(110)로부터 연장되는 꼬리부(120)를 구비함으로써, 전차의 주행 시 팬터그래프의 프레임(500)에서 발생될 수 있는 와류가 서로 혼합되지 않도록 하여 안정한 후류를 유도하고, 이를 통해 프레임의 후류 영역을 감소시켜 압력변동으로 인한 항력과 소음을 동시에 감소시킬 수 있다.
또한 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 플레이트 형상인 꼬리부(120)의 돌출된 방향의 단부(121)는 몸체(110)의 길이방향에 수직인 단면상에서 보았을 때 쐐기 형상일 수 있다. 이와 같이 플레이트 형상인 꼬리부(120)의 단부(121)가 쐐기 형상으로 구비됨으로써, 이를 따라 후류가 보다 안정적으로 유도될 수 있고, 항력과 소음이 보다 감소될 수 있다.
한편, 도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 프레임에 장착된 상태를 나타낸 사시도이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 프레임에 장착된 상태를 나타낸 측면도이며, 도 5c는 도 5b의 V-V선을 따라 절개한 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치(200)는 팬터그래프의 프레임(500)을 회전 가능하게 감싸는 몸체(210)를 포함한다. 예시적으로 도 5a 및 5c를 참조하면, 이러한 몸체(210)는 내경이 프레임(500)의 직경보다 큰 원형 튜브 형상일 수 있다.
여기서 도 1을 참조하면, 프레임(500)은 팬터그래프를 구성하는 각종 부재를 의미할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 앞서 살핀 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치(100)에서의 설명과 유사하므로 생략한다.
이러한 몸체(210)는 열차 주행 시 후술할 꼬리부(220)에 작용되는 공기의 흐름에 대응하여 프레임(500)에 대해 회전될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 앞서 살핀 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치(100)에서의 설명과 유사하므로 생략한다.
이와 같이 몸체(210)가 프레임(500)에 회전 가능하게 장착됨으로써, 주행 중 측풍이 불어올 때 이러한 측풍이 후술할 꼬리부(220)에 작용되면서 팬터그래프 프레임 부가장치(200)가 측풍의 영향을 최소화하는 방향으로 적정하게 회전될 수 있다. 또한, 몸체(210)의 프레임(500)에 대한 이러한 회전을 통해 양방향으로 운용되어야 하는 팬터그래프 시스템의 요구 조건도 충족될 수 있다.
또한 도 5a 내지 5c를 참조하면, 팬터그래프 프레임 부가장치(200)는 몸체(210)의 외주의 일측에서 외측 반경방향으로 미리 설정된 길이만큼 돌출되고 몸체(210)의 길이방향을 따라 구비되는 꼬리부(220)를 포함한다. 이러한 꼬리부(120)는 통해 열차 주행 시 와류 생성이 최소화 되도록 프레임(500) 주변의 공기의 흐름을 가이드 할 수 있도록 구비된다.
여기서, 미리 설정된 길이는 프레임(500)의 직경의 0.5배 이상이고 2배 이하일 수 있다. 이와 같이 꼬리부(220)의 돌출된 길이를 프레임(500)의 직경의 0.5~2배 사이로 함으로써, 스트로할 수(St)와 항력계수(Cd)의 감소가 유도될 수 있다. 이에 대해서는 앞서 살핀 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치(100)에서의 설명을 참조한다.
참고로, 이러한 꼬리부(220)는 상술한 몸체(210)와 도 5a 내지 5c에 나타난 바와 같이 일체로 구비될 수 있다.
그리고 도 5a 및 5c를 참조하면, 이러한 몸체(210) 및 꼬리부(220)의 외주는 몸체(210)의 길이방향에 수직인 단면상에서 보았을 때 꼬리부(220)가 돌출된 방향(도 5c에서 보았을 때 우측 방향)으로 뾰족한 에어포일(airfoil) 형상을 갖는다. 보다 구체적으로, 몸체(210) 및 꼬리부(220)는 외란에 대해 강건할 수 있고 발생하는 항력이 작아질 수 있도록, 도 5c에 나타난 바와 같이 선단(도 5c에서 좌측 부분, 몸체(210)의 앞쪽 부분)은 뭉툭하거나 둥글게 구비되고, 후단(도 5c에서 우측 부분, 꼬리부(220)의 뒤쪽 부분)은 이러한 선단으로부터 점차 날카로워지는 형상인 에어포일 형상을 가질 수 있다.
도 6은 종래의 팬터그래프 시스템과 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치가 적용된 팬터그래프 시스템에 대해 유동가시화 풍동실험을 수행한 결과를 프레임의 2차원 단면에 대해 나타낸 도면이다.
보다 상세하게, 도 6의 (a)는 사각형 실린더의 단면에 대한 V=10m/s인 바람의 유동을 연사(smoke-wire) 기법으로 가시화하여 나타낸 도면이고, 도 6의 (b)는 사각형 실린더의 단면에 대한 V=30m/s인 바람의 유동을 PIV(Particle Image Velocity, 입자영상유속계) 기법으로 가시화하여 나타낸 도면이다.
또한, 도 6의 (c)는 원형 실린더의 단면에 대한 V=10m/s인 바람의 유동을 연사 기법으로 가시화하여 나타낸 도면이며, 도 6의 (d)는 원형 실린더의 단면에 대한 V=30m/s인 바람의 유동을 PIV 기법으로 가시화하여 나타낸 도면이다.
그리고 도 6의 (e)는 에어포일 형상의 단면에 대한 V=10m/s인 바람의 유동을 연사 기법으로 가시화하여 나타낸 도면이며, 도 6의 (f)는 에어포일 형상의 단면에 대한 V=30m/s인 바람의 유동을 PIV 기법으로 가시화하여 나타낸 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 사각형이나 원형 단면의 경우에는 주기적으로 강한 와류가 발생되어 후류 영역이 비교적 크게 형성됨을 확인할 수 있다. 하지만 도 6의 (e) 및 (f)를 참조하면, 단면이 에어포일 형상인 경우에는 후류 영역이 사각형이나 원형 단면에 비해 작게 형성됨을 확인할 수 있다. 특히, 도 6의 (e)와 (f)를 비교해보면, 속도가 증가될수록 강한 와류 발생이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치(200)는 에어포일 형상으로 몸체(210) 및 꼬리부(220)가 구비되도록 함으로써, 팬터그래프의 프레임(500)에 작용되는 항력을 최소화시킬 수 있고, 측풍과 같은 외란(disturbance)의 영향을 최소한으로 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치는 앞서 살핀 두 실시예(100, 200)의 형상에만 한정되는 것은 아니다. 특히, 꼬리부는 열차 주행 시 와류 생성이 저감되게 프레임 주변의 공기의 흐름을 가이드 할 수 있는 다양한 형상으로 구비될 수 있다. 또한, 꼬리부는 상술한 플레이트 형상이나 에어포일 형상에 다른 형상이 부수적, 보조적으로 부가된 형상으로도 구비될 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치는 기존의 팬터그래프 시스템의 프레임을 대체하는 것이 아니라, 기존의 팬터그래프 시스템의 프레임을 그대로 유지한 채 부가적으로 간단히 장착되는 것이다. 따라서 본 발명에 의하면, 저비용으로 손쉽게 기존의 팬터그래프 시스템의 공력성능을 개선할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100. 본 발명의 한 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치
110. 몸체 120. 꼬리부
121. 단부
200. 본 발명의 다른 실시예에 따른 팬터그래프 프레임 부가장치
210. 몸체 220. 꼬리부
500. 프레임

Claims (5)

  1. 팬터그래프의 프레임을 회전 가능하게 감싸는 몸체, 그리고
    열차 주행 시 상기 프레임 주변의 와류 생성이 저감되게 공기의 흐름을 가이드 하도록 상기 몸체의 외주의 일측에서 외측 반경방향으로 미리 설정된 길이만큼 돌출되고 상기 몸체의 길이방향을 따라 구비되는 꼬리부를 포함하고,
    상기 꼬리부는 일정한 두께의 플레이트 형상으로 돌출되는 팬터그래프 프레임 부가장치.
  2. 제1항에서,
    상기 몸체는 열차 주행 시 상기 꼬리부에 작용되는 공기의 흐름에 대응하여 상기 프레임에 대해 회전되는 팬터그래프 프레임 부가장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 몸체 및 상기 꼬리부의 외주는 상기 몸체의 길이방향에 수직인 단면상에서 보았을 때 상기 꼬리부가 돌출된 방향으로 뾰족한 에어포일(airfoil) 형상인 팬터그래프 프레임 부가장치.
  5. 제1항, 제2항, 그리고 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 미리 설정된 길이는 상기 프레임의 직경의 0.5배 이상이고 2배 이하인 팬터그래프 프레임 부가장치.
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