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문제 정의
- 본 연구에서는 고속용 팬터그래프의 공기역학적 특성을 파악하기 위하여 실대형 팬터그래프를 풍동 내에 장착한 후 실제 가선에 가해지는 압상력을 계측하였으며, 주행 방향, 집전 높이, 날개 형상 등 다양한 운용조건에 대하여 시험을 수행하였다.
제안 방법
- 폭넓게 사용된다. 고강도 합금강과 무전해 니켈도금을 하였고 방습재 풋팅 처 리를 하였다. 로드셀의 형상 및 사양은 Fig.
- 그리고, 밀도의 경우에는 풍동의 가열효과로 인하여 시험 조건별로 약간씩 공기밀도가 변동하였는데, 본 연구에서 압상력을 구할 때에는 1.15km/m3의 공기밀도를 적용하였으며, 이는 해수면 기준 17SC의 상태에 해당한다.
- 다음으로 모델의 높이를 바꾸어 시험을 수행하였다. 모델의 높이는 펼쳐지는 높이를 기준으로 최소 높이는 300 mm, 표준 높이는 800mm, 그리고, 최대 높이는 풍동의 높이를 고려하여 1500mm로 설정하였으며, 이를 적용한 모델의 지지부 끝단에서 집전판 상면까지의 높이는 Table 2에 나타나 있다.
- 마지막으로 모델 양단에 놓인 날개에 따라 세 가지의 조건을 바꾸어 시험을 수행하였다. 본 모델에 부착된 Winge 원호와 직선으로 이루어진 ARC 형상을 갖는 2차원 날개로서 코드 길이는 100mm, 최대 두께는 13mm이며, 날개 폭은 116mm이다.
- 베이스 프레임의 4 지점에서 집전판과 로드셀을 와이어로 연결하였으며, 집전판의 위치에 따라 와이어를 조작하여 높이를 조정하고 수평을 유지하였다. 시험 측정 전 model에 가해지는 기계적인 압상력을 발생을 위하여 공기압을 주입하였고 로드셀에 측정된 초기값을 기반으로 풍속에 따른 각 시험조건에서의 압상력 변화를 측정하였다.
- 정상 주행 시 부착 방향은 팽창면이 아래로 향하도록 되어 있어 압상력을 감소시키는 역할을 하도록 하고 있으며, 반대 방향으로 부착할 경우 압상력을 증가시키게 된다. 본 시험에서는 날개의 부착방향을 평면 기준 (상) 방향과 (하) 방향으로 바꾸어서 시험을 수행하였으며, 표준 높이에서는 날개를 부착하지 않은 경우에 대해서도 시험을 수행하였다.
- 45m의 표준 시험부이고, 시험부에서 얻을 수 있는 유속은 최대 92m/s 이다. 본 시험에서는 모델과 지지부의 구조적인 강도를 고려하여 최대 50m/s의 유속으로 시험을 수행하였다. 풍동의 main fane 2, 100kW 모터를 사용하고 있으며 20개의 블레이드와 7개의 흐름안정지지부로 구성되어 있으며, 최대 회전수는 365 rpm 이다.
- 비상시의 상황에서는 전방 동력차에 부착된 팬터그래프가 작동하게 되는데' 이 때는 바람의 방향이 반대로 접힌 쪽 반대 방향에서 불어오게 된다. 본 시험에서는 바람의 방향에 대한 양력의 영향을 살펴보기 위하여 모델의 방향을 정방향 상태와 이를 180° 회전한 역방향 상태에서 시험을 수행하였다.
- 본 시험에서는 판토그래프의 높이, 윙의 방향 및 열차 진행 방향에 따른 유동의 상대적인 방향을 고려하여 시험 조건을 설정하였다.
- 높이를 조정하고 수평을 유지하였다. 시험 측정 전 model에 가해지는 기계적인 압상력을 발생을 위하여 공기압을 주입하였고 로드셀에 측정된 초기값을 기반으로 풍속에 따른 각 시험조건에서의 압상력 변화를 측정하였다.
- 시험은 자유류 풍속을 점차적으로 증가시 키다가 30m/s, 40m/s 및 50m/s의 속도에 도달했을 때 유동의 안정화를 확인한 후 측정하였다.
- 열차의 고속주행 시 팬터그래프에 가해지는 공기역학적압상력을 평가하기 위하여 실모델을 이용한 풍동시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 번호를 아래 Table 3에 나타내었다. 일부 조건을 제외하고는 측정값의 신뢰도를 확보하기 위하여 2회의 반복시험을 실시하였다.
대상 데이터
- 바꾸어 시험을 수행하였다. 본 모델에 부착된 Winge 원호와 직선으로 이루어진 ARC 형상을 갖는 2차원 날개로서 코드 길이는 100mm, 최대 두께는 13mm이며, 날개 폭은 116mm이다. 정상 주행 시 부착 방향은 팽창면이 아래로 향하도록 되어 있어 압상력을 감소시키는 역할을 하도록 하고 있으며, 반대 방향으로 부착할 경우 압상력을 증가시키게 된다.
- 본 시험에서 데이터 취득을 위해 사용된 장비는 여러 가지 계측에 대응한 입력최대 16채널의 대형 칼라 표시기용데이터 수록장치이다. 앰프 유니트(unit)에는 2CH/unit 구성의 DC 엠프, FFT용 앰프, 온도앰프, 스트레인(strain) 앰프 진동 등 다양한 종류를 준비하고 있다.
- 1)은 단일 폐쇄회로 식으로 시험부 교환형으로 설계되었다. 본 시험에서 사용된 시험부는 폭 3.5m, 높이 2.45m의 표준 시험부이고, 시험부에서 얻을 수 있는 유속은 최대 92m/s 이다. 본 시험에서는 모델과 지지부의 구조적인 강도를 고려하여 최대 50m/s의 유속으로 시험을 수행하였다.
- 본 시험에서 압상력의 측정을 위하여 사용된 로드셀은 정격용량 50kg의 로드셀로써 콤팩트하며 고정밀도(1/3000 이상)의 장점으로 옥내에 설치되는 호퍼스케일 및 시험기에 폭넓게 사용된다. 고강도 합금강과 무전해 니켈도금을 하였고 방습재 풋팅 처 리를 하였다.
- 풍동의 main fane 2, 100kW 모터를 사용하고 있으며 20개의 블레이드와 7개의 흐름안정지지부로 구성되어 있으며, 최대 회전수는 365 rpm 이다. 시험부 길이는 8.7m이며, 시험부 중심에 직경 2.7m 회전판이 장착되어 있다. # ±0.
- 시험에 사용된 모델은 실제로 동작하는 실물모형으로서 (Fig. 3) 로어암이 U자형 부재와 1자형 부재가 결합된 형태이고 어퍼암은 두 개의 메인 암이 사다리꼴 형상을 나타내고 있다. 완전히 접었을 경우 애자 지지부 하단과 팬헤드 상면의 수직 거리는 210mm로 측정되었다.
성능/효과
- - 열차가 역방향으로 진행할 때에는 정방향으로 진행할 경우에 비해 압상력이 감소하는 것으로 나타났다.
- - 열차의 속도가 증가할수록 팬터그래프에 가해지는 공기역학적인 압상력이 증가하며 실험 영역에서는 일정한 압상력 계수를 갖는 것으로 나타났다.
- - 집전 높이에 따라 압상력의 차이가 발생하는 것으로 나타났으며, 정방향 주행 시에는 표준 높이에서의 압상력이 다른 높이에 비해 상대적으로 크게 나옴을 알 수 있었다.
- 팬터그래프의 압상력을 조절하기 위한 양력날개의 경우 미부착 시에 비해 20N 내외의 양력 감소 효과를 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 5% 이내의 범위에서 일치하는 것으로 나타났다. 그리고, 0.0290의 압상력 계수값을 이용하여 구한 83.3m/s(300knnh)에서의 압상력 외삽값도 2차 다항식 회귀곡선과 잘 일치하는 것을 보여주고 있으며, 이를 통해 본 시험에서 얻은 압상력 계수는 300km/h의 속도영역까지 적용가능한 것으로 생각할 수 있다.
- 32T7N으로 대략 1:2의 비율을 이루고 있다. 모든 경우의 평균을 구해보면 양력날개의 부착 여부에 따른 압상력증감량은 20.41N으로 계산되며, 두 개의 날개가 부착된 것을 감안하면, 각각의 날개에서 발생하는 양력은 10N 내외인 것으로 예상된다.
- 역방향주행 시 압상력은 정방향 주행 시의 4.9 %로 정방향 주행에 비해 압상력이 크게 낮아지는 것으로 나타났다.
- 압상력은 속도가 증가할수록 증가하고 있으며, 2차 다항식 회귀곡선과 잘 일치하고 있다. 자유류 유속 30m/s, 40m/s, 50m/s에서의 압상력 계수(CL)는 각각 0.0283, 0.0285, 0.0290으로 2.5% 이내의 범위에서 일치하는 것으로 나타났다. 그리고, 0.
- 0188로 감소량이 큰 것을 알 수 있다. 정방향 주행 시에는 표준 높이에서의 압상력 이 다른 높이에 비해 싱대적으로 크게 나옴을 알 수 있었다.
후속연구
- - 본 시험 결과는 자유류 상태에서의 팬터그래프 압상력을 측정한 것으로서, 실차에 장착 시에는 공동 효과 및 열차 경계층의 효과가 더해지므로 실차실험을 통하여 보다 정확한 압상력을 평가할 필요가 있다.
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