KR101731888B1 - 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차 - Google Patents

파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차 Download PDF

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Abstract

파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차가 개시되며, 고속열차의 전방으로 돌출되게 형성된 전두부; 및 전두부의 선단에서부터 연속적으로 형성되되, 전두부의 하측에 단면이 원형 또는 타원형의 형상으로 돌출되어 형성된 파일럿을 포함한다.

Description

파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차{HIGH-SPEED TRAIN COMPRISING PILOT NOSE FOR REDUCING MICRO-PRESSURE WAVE}
본 발명은 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차에 관한 것이다.
일반적으로, 고속열차가 지나가는 터널은 고속으로 진행하는 열차가 터널의 내부로 진입할 때 터널 내에서 압력파가 생성된다. 이때, 압력파의 일부는 터널의 출구로부터 터널의 외부를 향하여 방사되어 터널 미기압파(sonic boom)라는 충격성 소음 및 진동(폭발음)을 유발한다.
이러한 현상을 저감하기 위한 터널 미기압파 저감 기술로서, 철도 차량의 전두부의 길이를 증가시키는 기술이 개발되고 있다. 이러한 철도 차량의 전두부의 길이를 증가시키는 기술과 관련하여, JR서일본(西日本)은 선두부를 뾰족하게 한 유선형으로 하며, 선단으로부터 전단면까지 15m에 걸쳐 차체 단면적을 부드럽게 변화시키는 전두부의 형상을 개발 하였다.
도 1은 JR 고속열차 차량의 속도증가에 따른 전두부 길이의 변화를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전반적으로 차량의 고속화에 따른 전두부 길이가 증가하는 추세임을 알 수 있다. 최고속도 270km/h±5의 비슷한 속도로 주행하는 차량들 중에서 300계는 6m의 전부두 길이를 갖고, E2 및 700계는 각각 9.1m 및 9.2m의 전두부 길이를 갖고 있음을 알 수 있다. 비슷한 속도에서의 E2 및 700계의 전두부 길이 증가된 것은 공기저항 및 미기압파 감소를 위하여 철도 차량의 전단면을 변화시켰음을 알 수 있다. 이러한 영향에 의해, 영업최고속도가 360km/h에 이르는 FASTTECH360의경우 전두부의 길이가 16m까지 증가하였음을 알 수 있다.
그러나, 고속열차 차량의 속도증가에 따르는 주행소음(공력음)과 고속주행으로 터널 통과 시 발생하는 미기압파를 감소하고자 전두부의 길이를 계속 증가하는데는 한계가 있다.
따라서, 공기저항과 미기압파를 감소시키면서도 전두부의 길이를 과도하게 증가시키지 않으며 전두부와 운전석에 의한 객석의 손실을 최소화하는 전두부 형상이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 효율적으로 미기압파를 저감시킬 수 있는 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차는 고속열차의 전방으로 돌출되게 형성된 전두부; 및 전두부의 선단에서부터 연속적으로 형성되되, 전두부의 하측에 단면이 원형 또는 타원형의 형상으로 돌출되어 형성된 파일럿을 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 전두부의 선단에서 돌출되게 형성된 파일럿을 구비함으로써, 고속열차 차량의 속도증가에 따른 터널 출구에서 발생되는 미기압파(폭발음)의 상승이 보다 효과적으로 지연될 수 있다. 더불어, 미기압파의 발생에 따른 주변 민가에 미치는 소음 및 진동 등을 저감시킬 수 있다.
도 1은 JR 고속열차 차량의 속도증가에 따른 전두부 길이의 변화를 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차의 입체도이다.
도 3은 도2의 A에 따른 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차의 개략적인 단면도이다.
도 4a 및 4b는 일 실시예에 따른 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차의 구성도이다.
도5a 및 도5b는 미기압파 저감형 열차 모델 및 주행 시험 장치를 도시한 도면이다.
도6a 및 도6b는 미기압파 저감형 열차 모델 및 다양한 열차 모델의 수치를 도시한 도면이다.
도7은 250km/h, 300km/h 및 350km/h속도로 발사시 터널 내부에서 측정된 각각의 열차 모델 별 무차원 압력구배를 도식화한 도면이다.
도8a 내지 도 8c는 250km/h, 300km/h 및 350km/h 속도로 발사시 A1 모델과 A4 모델 내지 A6 모델의 압력구배의 변화를 비교한 도면이다.
도9a 내지 도9c는 250km/h, 300km/h 및 350km/h속도로 발사시 A1 모델과 A4 모델 내지 A6 모델의 터널 출구 미기압파의 변화를 비교한 도면이다.
도10은 터널 입구에서부터 터널 출구까지의 위치 별 A4 모델 내지 A6 모델의 속도 변화를 비교한 도면이다.
도11은 250km/h, 300km/h 및 350km/h로 발사시 A1 내지 A6 열차 모델 별 터널 출구 미기압파 최대값 및 미기압파 저감율을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세 서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본 발명은 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차에 관한 것이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차 (이하 '본 미기압파 저감형 고속열차'라 함)에 대해 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차의 입체도이고, 도 3은 도2의 A에 따른 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차의 개략적인 단면도이고, 도 4a 및 4b는 일 실시예에 따른 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차의 구성도이다.
파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차(10)는 전두부(100), 파일럿(110)을 포함할 수 있다.
전두부(100)는 고속열차의 전방으로 돌출되게 형성될 수 있다.
예시적으로, 도2에 나타난 바와 같이, 전두부(100)는 고속열차의 선단에 구비되며, 유선형의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 전두부(100)의 상측에서부터 하측으로 갈수록 점점 돌출되는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 측면에서 바라볼 경우, 전두부(100)는 마이너스 기울기의 경사면을 가지는 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 고속열차의 터널 진입 시 발생하는 공기저항이 연속적으로 감소될 수 있다.
또한, 전두부(100)는 지지구조부(120)를 포함할 수 있다.
지지구조부(120)는 하측에 전두부(100)와 일체로 형성되어 파일럿(110)의 선단을 지지할 수 있다.
예시적으로, 도 2에 나타난 바와 같이, 지지구조부(120)는 전두부(100)의 하측에 일체로 형성되며, 상측에서부터 하측으로 갈수록 점점 돌출되는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 측면에서 바라볼 경우, 지지구조부(120)는 마이너스 기울기의 경사면을 가지는 형태로 형성될 수 있다. 지지구조부(120)의 하측은 지지구조부(120)에서 가장 돌출될 수 있으며, 파일럿(110)을 지지할 수 있다.
파일럿(110)은 전두부(100)의 선단에서부터 연속적으로 형성되되, 전두부(100)의 하측에 단면이 원형 또는 타원형의 형상으로 돌출되어 형성될 수 있다.
예시적으로, 도2에 나타난 바와 같이, 파일럿(110)은 전두부(100)의 하측에 전두부(100)와 일체로 형성된 지지구조부(120)에서 돌출되어 형성될 수 있다. 파일럿(110)은 지지구조부(120)를 관통할 수 있다. 파일럿(110)의 선단부는 지지구조부(120)의 중간에 삽입되고, 파일럿(110)의 말단부는 외부로 돌출될 수 있다.
파일럿(110)은 원형 또는 타원형의 단면을 가지며 일정한 길이로 연장되는 기둥의 형상으로 형성되되, 파일럿(110)의 말단부는 곡선으로 돌출되는 형태로 형성될 수 있다.
예시적으로, 도 2에 나타난 바와 같이, 파일럿(110)은 선단부에서 말단부까지 원형의 단면의 형태를 갖는 기둥의 형상으로 일정한 길이로 연장되고, 파일럿(110)의 말단부는 유선형의 형태로 형성될 수 있다.
이러한 파일럿(110) 말단부의 횡단면의 형상은 예시적으로 제형, 칠각형 등과 같은 다각형 형상 또는 아치 형상일 수 있다. 또한, 파일럿(110)의 말단부의 단면적은 파일럿(110)의 선단부의 단면적 보다 작게 형성될 수 있다.
예시적으로, 도 3에 나타난 바와 같이, 파일럿(110)의 단면적(A2)은 전두부(100)의 단면적(A1)의 1/3 이상 내지 1/2 이하로 형성될 수 있다. 이러한 파일럿(110)의 단면적의 크기는 미기압파 저감율을 상승시키는 요인이 될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 이러한 파일럿(110)의 단면적(A2)에 포함되는 파일럿(110)의 외경(R)은 1.7m 이상 내지 1.8m 이하로 형성될 수 있다. 특히, 파일럿(110)의 외경(R)이 1.784m로 형성되는 경우, 미기압파 저감율이 현저하게 상승 될 수 있다.
이러한 파일럿(110)의 외경(R)은 열차 모델 주행시험결과에 따라 도출될 수 있는데, 파일럿(110)의 길이(L1)가 5.166m로 동일하고, 파일럿(110)의 외경(R)이 1.23m와 1.784m 인 2개의 열차 모델이 열차 평균 주행속도 250km/h, 300km/h 및 350km/h에서 파일럿(110)을 포함하지 않는 열차 모델 대비 미기압파 저감율을 비교한 결과, 파일럿(110)의 외경(R)이 1.23m 보다 1.784m 일 때 약 2배 이상 증가한 미기압파 저감율이 나타났다. 즉, 동일한 길이(L1)를 갖는 파일럿(110)의 경우, 외경(R)의 크기가 1.23m 일 경우 보다 1.784m일 경우에 미기압파 저감율이 현저하게 상승하는 것을 나타낸다.
다시 말해, 파일럿(110)의 외경의 크기가 너무 작을 경우, 전두부(100)의 단면적 대비 파일럿(110)의 단면적이 작아짐으로써, 미기압파 저감율이 감소할 수 있다. 또한, 파일럿(110)의 외경의 크기가 너무 클 경우, 전두부(100)의 단면적 대비 파일럿(110)의 단면적이 너무 커짐으로써, 파일럿(110)의 단면적이 전두부(100)의 단면적의 크기에 가까워져, 미기압파 저감율이 감소할 수 있다.
즉, 과도하게 작거나 크지 않으며, 일정한 단면적의 크기를 갖는 파일럿(110)이 미기압파 저감율을 상승시킬 수 있다. 이러한 주행시험결과에 대한 구체적인 설명은 다른 도면들을 참고하여 후술하기로 한다.
도 4a를 참조하면, 파일럿(110)은 커플러부(111) 및 커버부(115)를 포함할 수 있다.
커플러부(111)는 파일럿(110)의 말단부 내부에 구비되어 열차를 연결할 수 있다.
커버부(115)는 곡선으로 돌출되는 형상으로 파일럿(110)의 말단부를 형성하며 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
도 4a에 나타난 바와 같이, 파일럿(110)을 전방에서 바라보는 경우, 커버부(115)는 가운데가 절개되는 형태로 형성될 수 있다. 예시적으로, 커버부(115)는 2개로 분리되어 종방향 또는 횡방향으로 개방될 수 있다.
열차를 연결할 경우, 커버부(115)가 개방되어 커플러부(111)에 의해 연결할 수 있다.
예시적으로, 커플러부(111)에 의해 열차를 연결할 경우, 도 4a에 나타난 바와 같이, 커버부(115)는 후방으로 밀리면서 개방될 수 있다. 이때, 파일럿(110)의 말단부의 내부에 장착된 커플러부(111)가 외부로 노출될 수 있다. 이러한 커플러부(111)에 의해 열차를 연결시킬 수 있다.
따라서, 고속 열차의 전두부(100)에서 돌출되어, 일정한 단면적과 일정한 길이를 갖는 파일럿(110)에 의해 터널 미기압파를 안정적으로 저감하며, 파일럿(110)의 말단부의 내부에 구비된 커플러부(111)에 의해, 열차들을 상호 연결할 수 있다.
또한, 대한민국등록특허 제10-1372435호(발명의 명칭: 고속 열차의 침상형 공기저항 저감장치)에 개시된 전두부의 전방으로 출몰되도록 구비된 앞창에는 일정한 단면적이 형성되지 못하는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명의 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차(10)는 일정한 단면적을 확보하는 파일럿(110)을 설치함으로써 커플러부(111)를 장착하지 못하던 문제점을 개선할 수 있다.
4b를 참조하면, 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차(10)는구동부(130) 및 제어부(140)를 더 포함할 수 있다.
구동부(130)는 파일럿(110)을 전방 또는 후방으로 이동시킬 수 있다.
구동부(130)는 유압실린더 또는 공압실린더로 구성되고, 유압실린더 또는 공압실린더의 피스톤 단부에 파일럿(110)의 선단부가 일체로 결합될 수 있다. 이때, 피스톤은 다단으로 형성될 수 있다. 또한, 구동부(130)는 전동 모터로 이루어질 수 있다.
제어부(140)는 구동부(130)를 제어할 수 있고, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
전두부(100)는 전두부(100)의 말단부와 파일럿(110)이 일부 중첩된 구간에 구비되어 열차를 연결하는 커플러부(113)를 포함할 수 있다.
즉, 커플러부(113)는 파일럿(110)의 선단부의 내부에 배치될 수 있으며, 전두부(100)의 말단부에 고정되어 설치될 수 있다.
파일럿(110)은 곡선으로 돌출되는 형상으로 파일럿(110)의 말단부를 형성하며 개방되거나 폐쇄되는 커버부(115)를 포함할 수 있다.
커버부(115)는 파일럿(110)을 전방에서 바라보는 경우, 가운데가 절개되는 형태로 형성될 수 있다. 예시적으로, 커버부(115)는 2개로 분리되어 종방향 또는 횡방향으로 개방될 수 있다.
열차를 연결할 경우, 구동부(130)에 의해 파일럿(110)이 후방으로 이동되고, 커버부(115)가 개방되어 커플러부(113)에 의해 연결할 수 있다.
예시적으로, 커플러부(111)에 의해 열차를 연결할 경우, 도 4b에 나타난 바와 같이, 파일럿(110)은 구동부(130)에 의해 전두부(100)의 내부 공간으로 이동될 수 있다. 이어서, 커버부(115)는 후방으로 밀리면서 개방될 수 있다. 이때, 파일럿(110)의 내부에 배치되어 전두부(100)의 말단부에 장착된 커플러부(111)가 외부로 노출될 수 있다. 이러한 커플러부(111)에 의해 열차를 연결시킬 수 있다.
도 4b에 나타난 바와 같이, 파일럿(110)의 말단부는 파일럿(110)이 중첩되는 전두부(100)의 말단부와 대응되는 형상으로 형성되되, 파일럿(110)이 전두부(100)의 내부로 이동되는 경우, 파일럿(110)과 중첩되지 않는 전두부(100)의 말단부와 매끄럽게 연결될 수 있다.
다시 말해서, 전두부(100)의 전방으로 돌출되어 있던 파일럿(110)이 구동부(130)에 의해 전두부(100)의 내부로 이동될 경우, 전두부(100)의 말단부에서부터 전두부(100)에 삽입된 파일럿(110)의 말단부까지 매끄럽게 연결되는 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 돌출된 파일럿(110)이 고속열차 내부로 이동되었을 경우 나타나는 외형상의 심미성도 향상 시킬 수 있다.
제어부(140)는 고속열차의 평균 주행속도를 측정하고, 평균 주행속도에 따라 구동부(130)를 통해 파일럿(110)의 길이를 조절할 수 있다.
고속열차의 평균 주행속도가 250km/h 내지 350km/h로 측정되는 경우, 제어부(140)는 파일럿(110)의 길이가 전두부(100)의 타단에서부터 2.5m 이상 내지 10.4m 이하가 되도록 조절할 수 있다.
이러한 파일럿(110)의 길이에 따른 미기압파 저감 효과에 대한 구체적인 설명은 다른 도면들을 참고하여 후술하기로 한다.
이하에서는 파일럿 전두부를 갖는 터널 열차 모델의 주행을 시험 방법을 설명하고자 한다.
도5a 및 도5b는 미기압파 저감형 열차 모델 및 주행 시험 장치를 도시한 도면이고, 도6a 및 도6b는 미기압파 저감형 열차 모델 및 다양한 열차 모델의 수치를 도시한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 본 실험에 사용한 열차 모델은 동일한 전두부(100)의 형태를 가지며, 파일럿(110)의 길이와 외경이 상이함으로써, A1 모델 내지 A6 모델의 각각 다른 형태의 열차 모델로 구분된다.
도 5b를 참조하면, 본 실험에 사용된 주행 시험 장치는 1:61.5 스케일이고, 발사시스템, 배플판, 터널 모델, 열차 모델, 복수 개의 압력변환기(PT: Pressure transducer), 복수 개의 광센서(PS: Photo sensor) 및 브레이크 시스템을 포함하고 있다.
이러한 주행 시험 장치를 이용하여, 터널 모델 출구로부터 325mm 측정 지점에서 터널출구 미기압파를 측정하고, 터널 입구로부터 1463mm 측정 지점에서 터널 내부의 압력 변동과 압력 구배를 계측하였다.
여기서, 터널 미기압파(PMAX)는 [수학식 1]에 의하여 산출하였다.
[수학식 1]
Figure 112015093728335-pat00001
여기서, Ω는 터널 출구의 지형 환경에 따른 입체각이고, c는 음속이고, r은 터널 출구부터의 거리이고, kpq는 열차진입속도와 터널 폐색율의 비에 따른 터널출구에서의 실험 보정 값이고, dp/dt는 터널 내부의 압력구배 이다.
이때, 터널 출구의 지형 환경에 따른 입체각(Ω)은 터널 갱구 바깥영역의 지형을 고려하여 터널 출구 바깥이 개착(cutting)지형인 경우 Ω=2를 적용하고, 개활(Free Surrounding) 지형인 경우 Ω=3을 적용할 수 있다.
도6a 및 도6b에 도시된 바와 같이, 미기압파 저감형 열차 모델은 A1 내지 A6 열차 모델의 6개로 구성하였고, 파일럿의 길이(L1) 및 파일럿의 외경(R)을 각각 다르게 하였다.
이러한 열차 모델은 1대1 실척으로 환산한 데이터를 적용하여 제작하였다.
A1 모델은 KTX-산천 열차의 동일 모델로서, A2 내지 A6 모델의 전두부 길이(L2) 7.74m 기준이 된다.
A2 모델 및 A3 모델은 파일럿 외경(R)이 1.23m로 동일하고, 파일럿 길이(L1)가 각각 5.166m 및 10.332m로 상이하다.
A4 내지 A6 모델은 파일럿 외경(R)이 1.784m로 동일하고, 파일럿 길이(L1)가 각각10.332m, 5.166m 및 2.583m로 상이하다.
도7은 250km/h, 300km/h 및 350km/h속도로 발사시 터널 내부에서 측정된 각각의 열차 모델 별 무차원 압력구배를 도식화한 도면이고, 도8a는 내지 도 8c는 250km/h, 300km/h 및 350km/h 속도로 발사시 A1 모델과 A4 모델 내지 A6 모델의 압력구배의 변화를 비교한 도면이고, 도9a 내지 도9c는 250km/h, 300km/h 및 350km/h속도로 발사시 A1 모델과 A4 모델 내지 A6 모델의 터널 출구 미기압파의 변화를 비교한 도면이고, 도10은 터널 입구에서부터 터널 출구까지의 위치 별 A4 모델 내지 A6 모델의 속도 변화를 비교한 도면이다.
도7에 도시된 바와 같이, 250km/h, 300km/h 및 350km/h 주행시험에서, A1 모델의 무차원 압력구배 1.0 보다 파일럿의 외경이 1.23m인 A2 및 A3 모델과 파일럿의 외경이 1.784m인 A4 내지 A6모델의 무차원 압력구배가 낮은 것으로 나타났다.
또한, A1 모델의 무차원 압력구배 1.0 대비 파일럿의 외경이 1.23m인 A2 및 A3모델 보다 파일럿의 외경이 1.784m인 A4 내지 A6모델이 무차원 압력구배 감소폭이 현저히 높은 것으로 나타났다.
즉, 파일럿의 외경이 1.23m 인 A2 및 A3 모델의 경우 보다 파일럿의 외경이 1.784m인 A4 내지 A6 모델의 경우가 A1 모델 대비 압력구배 감소폭이 약 2배 이상 높은 것으로 나타났다.
따라서, 외경이 1.7m 이상 내지 1.8m 이하인 파일럿을 고속열차의 전두부에 추가함으로써, 터널 미기압파를 현저하게 저감할 수 있다.
이에 따라, 파일럿의 외경의 크기가 너무 작을 경우, 전두부의 단면적 대비 파일럿의 단면적이 작아져서, 미기압파 저감율이 감소할 수 있다. 또한, 파일럿의 외경의 크기가 너무 클 경우, 전두부의 단면적과 파일럿의 단면적이 동일해져서, 미기압파 저감율이 감소할 수 있다.
이하에서는 파일럿의 외경이 1.784m인 A4 내지 A6 모델의 파일럿 길이에 따른 터널 미기압파 저감 효과를 비교하고자 한다.
도8a 내지 도9c에 도시된 그래프는 단선터널(Single track tunnel), 터널 길이(Tunnel length) 8,510mm 및 트랜스듀서 위치(Transducer position) 1,463mm의 동일한 주행 시험 장치에서 시험한 결과이다.
도8a 및 도8b에 나타난 바와 같이, 250km/h 및 300km/h 주행시험에서, A1 모델의 압력구배 최대값 대비 A4, A5 및 A6 모델의 압력구배 최대값을 비교해보면, A6 모델의 압력구배 감소폭이 가장 높은 것으로 나타났다.
도8c에 나타난 바와 같이, 350km/h 주행시험에서 A1 모델의 압력구배 최대값 대비 A4, A5 및 A6 모델의 압력구배 최대값을 비교해보면, A5 모델의 압력구배 감소폭이 가장 높은 것으로 나타났다.
따라서, 주행속도 250km/h 및 300km/h에서는 파일럿 길이가 2.583m(A6 모델)인 경우 가장 효율적으로 미기압파를 저감할 수 있으며, 주행속도 350km/h에서는 파일럿 길이가 5.166m(A5 모델)인 경우 가장 효율적으로 미기압파를 저감할 수 있다.
도9a내지 도9b에 나타난 바와 같이, 250km/h 및 300km/h 주행시험에서 A1 모델의 터널 내부 미기압파 최대값 대비 A4, A5 및 A6 모델의 터널 내부 미기압파 최대값을 비교해보면, 미기압파 감소폭의 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
도9C에 나타난 바와 같이, 350km/h 주행시험에서 A1 모델의 터널 내부 미기압파 최대값 대비 A4, A5 및 A6 모델의 터널 내부 미기압파 최대값을 비교해보면, A6 모델의 미기압파 감소폭이 다소 낮은 것으로 나타났다.
즉, 250km/h 및 300km/h 주행시험에서 A4 모델(파일럿 길이 10.332m), A5 모델(파일럿의 길이 5.166m) 및 A6 모델(파일럿 길이 2.583m)은 터널 미기압파 저감 효과가 거의 동일하지만, 350km/h 주행시험에서 A6 모델(파일럿 길이 2.583m)의 터널 미기압파 저감 효과가 다소 감소되는 것으로 나타났다.
따라서, 주행속도 250km/h 및 300km/h에서는 길이가 2.5m 이상 내지 10.4m 이하의 파일럿의 경우에 터널 미기압파를 효율적으로 저감할 수 있다.
한편, 주행속도 350km/h에서는 A6모델(파일럿 길이 2.583m)의 경우 A4 모델(파일럿 길이 10.332m) 및 A5 모델(파일럿의 길이 5.166m)의 파일럿 길이 보다 현저히 짧은데도 불구하고, 약 14% 정도의 터널 출구 미기압파 저감율이 나타났다.
따라서, 주행속도 350km/h에서도 길이가 2.5m 이상 내지 10.4m 이하의 파일럿의 경우에 터널 미기압파를 효율적으로 저감할 수 있는 것으로 나타났다.
도10에 도시된 바와 같이, 250km/h, 300km/h 및 350km/h 주행시험에서, A4 모델과 A6 모델의 터널입구(V1)부터 터널출구(V4)까지의 위치 별(V1 내지 V4) 속도를 측정한 결과, A4 모델 내지 A6 모델의 속도 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.
즉, 외경이 1.784m인 A4 모델(파일럿 길이 10.332m), A5 모델(파일럿의 길이 5.166m) 및 A6 모델(파일럿 길이 2.583m)이 파일럿을 포함하지 않는 A1모델과 동일한 속도를 낼 수 있는 것으로 나타났다.
따라서, 전두부에 파일럿을 포함하는 고속열차가 기존의 파일럿을 포함하지 않는 고속열차보다 질량이 증가하더라도, 터널 내부에서 고속열차의 주행속도인 250km/h 내지 350km/로 주행하는데 문제가 없는 것으로 나타났다.
이하에서는 파일럿 전두부를 갖는 터널 열차 모델의 주행을 시험결과를 설명하고자 한다.
도11은 250km/h, 300km/h 및 350km/h로 발사시 A1 내지 A6 열차 모델 별 터널 출구 미기압파 최대값 및 미기압파 저감율을 도시한 도면이다.
도11에 도시된 바와 같이, A4, A5 및 A6 모델의 경우, 250km/h 주행 속도에서는 약 16%의 터널 출구 미기압파 저감율을 나타내고, 300km/h 주행 속도에서는 약 18%의 터널 출구 미기압파 저감율을 나타냈다. 그러나, 350km/h주행 속도에서는 A4 및 A5의 모델의 경우 약 20% 이상의 높은 터널 출구 미기압파 저감율을 나타내지만, A6 모델의 경우 약 14%로 터널 출구 미기압파 저감율이 다소 하강하였다.
즉, 파일럿 외경이 1.784m로 동일하고, 파일럿 길이가 각각10.332m, 5.166m 및 2.583m로 상이한 파일럿의 경우, 250km/h 및 300 km/h 주행 속도에서는 유사한 미기압파 저감율이 나타나지만, 350 km/h 주행 속도에서 파일럿 길이가 2.583m인 파일럿은 미기압파 저감율이 다소 하강하였다.
그러나, A6 모델의 경우, 파일럿 길이가 A4 및 A5 모델보다 1/4 또는 1/2 이하로 짧게 형성됨에도 불구하고, 터널 출구 미기압파 저감율이 약 14% 로 나타났다. 이에 따라, A6 모델은 250km/h 내지 350 km/h 주행 속도에서 14% 이상의 터널 출구 미기압파 저감율을 나타내는 것을 알 수 있으며, 파일럿의 길이를 과도하게 증가시키지 않으면서도 250km/h 이상의 속도 역에서 발생하는 주행소음(공력음)과 고속주행으로 터널 통과 시 발생하는 미기압파를 감소 시키는 효과가 있다.
따라서, 상술한 바와 같이, 외경이 1.784m 이고, 길이가 2.5m 이상 내지 10.4m 이하로 조절가능한 파일럿을 고속열차의 전두부에 설치하면, 전두부 대비 너무 크거나 작지 않은 크기의 단면적을 갖는 파일럿이 미기압파 저감율을 향상시킬 수 있으며, 250km/h, 300km/h 및 350km/h 주행 속도에서 파일럿 길이를 조절하여, 고속 주행시 발생하는 주행소음(공력음)과 고속주행으로 터널 통과 시 발생하는 미기압파를 효과적으로 감소 시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 미기압파 저감형 고속열차 100: 전두부
110: 파일럿 111, 113: 커플러부
115: 커버부 120: 지지구조부
130: 구동부 140: 제어부

Claims (10)

  1. 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차로서,
    고속열차의 전방으로 돌출되게 형성된 전두부; 및
    상기 전두부의 선단에서부터 연속적으로 형성되되, 상기 전두부의 하측에 단면이 원형 또는 타원형의 형상으로 돌출되어 형성된 파일럿을 포함하되,
    상기 파일럿은 원형 또는 타원형의 단면을 가지며 일정한 길이로 연장되는 기둥의 형상으로 형성되되, 상기 파일럿의 말단부는 곡선으로 돌출되는 형태로 형성되며,
    상기 파일럿의 말단부 내부에 구비되어 열차를 연결하는 커플러부; 및
    곡선으로 돌출되는 형상으로 상기 파일럿의 말단부를 형성하며 개방되거나 폐쇄되는 커버부를 포함하되,
    상기 열차를 연결할 경우, 상기 커버부가 개방되어 상기 커플러부에 의해 연결하는 것인 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전두부는 하측에 상기 전두부와 일체로 형성되어 상기 파일럿의 선단을 지지하는 지지구조부를 포함하는 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 파일럿의 단면적은 상기 전두부의 단면적의1/3 이상 내지 1/2이하로 형성되는 것인 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 파일럿을 전방 또는 후방으로 이동시키는 구동부; 및
    상기 구동부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전두부는 상기 전두부의 말단부와 상기 파일럿이 일부 중첩된 구간에 구비되어 열차를 연결하는 커플러부를 포함하고,
    상기 파일럿은 곡선으로 돌출되는 형상으로 상기 파일럿의 말단부를 형성하며 개방되거나 폐쇄되는 커버부를 포함하되,
    상기 열차를 연결할 경우, 상기 구동부에 의해 상기 파일럿이 후방으로 이동되고, 상기 커버부가 개방되어 상기 커플러부에 의해 연결하는 것인 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 파일럿의 말단부는 상기 파일럿이 중첩되는 상기 전두부의 말단부와 대응되는 형상으로 형성되되,
    상기 파일럿이 상기 전두부의 내부로 이동되는 경우, 상기 파일럿과 중첩되지 않는 상기 전두부의 말단부와 매끄럽게 연결되는 것인 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 고속열차의 평균 주행속도를 측정하고, 상기 평균 주행속도에 따라 상기 구동부를 통해 상기 파일럿의 길이를 조절하되,
    상기 고속열차의 평균 주행속도가 250km/h 내지 350km/h로 측정되는 경우,
    상기 파일럿의 길이가 상기 전두부의 타단에서부터 2.5m 이상 내지 10.4m 이하가 되도록 조절하는 것인 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 구동부는 유압실린더 또는 공압실린더로 구성되고, 상기 유압실린더 또는 상기 공압실린더의 피스톤 단부에 상기 파일럿의 선단부가 일체로 결합되는 것인 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 구동부는 전동 모터로 이루어지는 것인 파일럿 전두부를 갖는 터널 미기압파 저감형 고속열차.
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