판토그라프 에어포일과 스포일러 공력특성해석

초록

판토그라프 에어포일과 스포일러 공력특성해석 Numerical Simulation for an Airfoil and a Spoiler on Pantograph 고태환† 김기남* 한성호** Tae-Hwan Ko Gi-Nam Kim Seong-Ho Han ABSTRACT The main factors to change the contact force between a pantograph and a contact wire are the increase of the vibration of a pantograph and a catenary system and the aerodynamic lift force on a pantograph according to increasing the speed of a train. In this study, we performed the numerical analysis for airfoil and spoiler controlling the lift force on a developing pantograph for high speed train. From the aerodynamic simulation and parameter study for the airfoil and the spoiler to control the lift force, we analyze the characteristic of airfoil and spoiler for the driving direction, open knee and close knee, at the various speed. The Fluent software is used for the calculation of flow profile in this study. 1. 서론 전기 철도차량의 고속화에 따라 공기저항이 차량에 미치는 영향이 대두되면서 이미 차량 형상 설계에 공기저항을 고려한 연구가 진행되고 있다. 이와 더불어 차량의 외부에 도출되어 차량의 주행에 따른 공기 저항뿐만 아니라 양력의 영향을 가장 크게 받게 되는 판토그라프의 설계에 있어서 공력 특성 연구는 전차선과의 이선을 줄이기 위해 필수적인 고려사항으로 대두되었다. 판토그라프는 일정한 압상력을 가지고 전차선과 접촉을 유지하지만 판토그라프의 형상에 따라 주행 속도에 따라 압상력이 변화하고 이에 따라 전차선과의 이선이 증가되며 때로는 전차선에 무리한 힘을 가하게 되거나 판토그라프 집전판의 마모를 증가시키는 경우가 발생한다. 고속차량용 판토그라프의 경우는 고속영역에서 속도의 제곱에 비해하게 커지는 양력을 감소시키기며, 판토그라프의 방향에 상관없이 전후 양방향에도 양력의 변화가 크지 않도록 하기위해 에어포일과 스포일러을 적용하여 사용하고 있다. 특히 싱글암의 기본 프레임과 암의 비대칭적인 형상에 의한 양력은 진행방향에 따라 큰 속도영역에서 크게 차이가 나타나게 되며 이를 보상하기위한 양력보상장치가 필요하게된다. 양방향에 대해 양력을 보상할 수 있는 방향성을 가지는 에어포일 또는 스포일러를 주요 암의 공력특성을 고려하여 설계되어야 한다. 본 연구에서는 유동 수치해석을 통해 최근 400km/h 주행을 위해서 개발이 진행되고 있는 초고속용 판토그라프의 전반적인 유동특성을 예측하고 양력의 변화를 최소화하기 위해 적용되는 에어포일과 스포일러의 특성을 평가한다. 수치해석은 다양한 속도별 판토그라프 구성부위별 양력을 도출하였으며, 전후방을 고려한 Open Knee의 경우와 Close Knee의 경우에 대한 해석을 진행하였다. 이를 통해 설계된 에어포일과 스포일러가 판토그라프의 공력특성을 반영하여 양방향에 대하여 적절한 양력을 조절하고 있는 지를 검토 및 평가 하여보고자 한다. † 교신저자, 한국철도기술연구원, 신소재틸팅열차시스템 E-mail : thko@krri.re.kr * 유진기공(주) 철도차량기술연구소 ** 한국철도기술연구원, 신소재틸팅열차시스템 주행 방향에 따라서 변화되는 양력의 방향과 크기의 변화를 줄이기 위한 양력조절장치를 판토그라프의 형상에 맞추어 설계함으로써 판토그라프의 형상이 가지는 공력에 대한 문제점을 해소시킨다. 또한 유동해석의 결과는 차량의 소음원 중에 큰 부분을 차지하고 있는 판토그라프에 의해서 발생되는 공력소음의 분석과 예측을 위한 기반 자료로써 사용되어질 뿐만 아니라 판토그라프의 장착을 위한 고정부의 구조해석을 위한 입력 자료로써 활용되어 진다. 본 수치연구에서는 CFD 분야에서 많은 검증을 통해 신뢰성을 인정받고 있는 상용 전산유체 해석 program인 Fluent를 사용하여 유동을 계산하고 후처리하였다.