Experimental Studies on Improvement of the Aerodynamic Characteristics for High Speed Train Pantograph System

Abstract

고속열차의 친환경, 고효율 팬터그래프 시스템을 개발하기 위하여 본 연구에서는 팬터그래프 시스템의 공기역학적 특성 파악과 개선에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 고속열차의 팬터그래프 시스템의 공기역학적 특성 파악을 위해 팬터그래프의 공기역학적인 힘 즉, 양력과 항력을 측정하기 위한 계측시스템을 구축하였다. 이미지방법을 이용한 요소 별 풍동실험을 통하여 팬터그래프 시스템의 공력분포를 측정하였으며 팬터그래프에서 팬헤드가 팬터그래프의 공력성능을 결정짓는 중요한 요소임을 확인하였다. 전산해석을 통해 얻어진 저저항 저소음 최적화 팬헤드를 공력측정, 스트로할수 측정으로 기존의 사각형상의 팬헤드보다 최적화된 팬헤드의 형상의 공력성능이 향상되었음을 확인하였다. 3차원 팬터그래프 축소모델 실험에서는 1/4 스케일 실험모델을 제작하여 팬터그래프의 양력과 항력을 측정하고 팬헤드 후류를 조사하여 팬터그래프의 공기역학적 특성에 대해 알아보았으며, 최적화된 팬헤드를 적용하여 팬터그래프의 공기역학적 성능을 향상시킬 수 있었다. 스케일 모델실험을 통한 팬터그래프의 공기역학적 특성 파악과 공력개선안을 가지고 풍동실험 결과와 실차 실험결과를 비교하여 결과의 타당성을 평가하였다. 팬헤드의 형상 최적화로 인한 성능개선과 더불어 팬터그래프의 공력성능을 더욱 향상시키고자 팬헤드를 지지하는 3가지 타입의 암 형상에 대해서 공기역학적 특성을 알아보았으며, 암의 형상에 따라 양력과 항력을 측정하여 평가하였다. 다음으로 팬터그래프의 공력 성능개선과 소음감소를 위해 4가지 타입의 팬터그래프 커버를 적용하여 팬터그래프 커버 형상이 팬터그래프에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 1/20 스케일의 5량 실험모델을 이용하여 각 차량의 공기역학적 항력을 측정하였으며, 열차의 항력관점에서 열차의 지붕에 장착되는 여러 팬터그래프 커버, 추가커버 등의 공기역학적 영향을 살펴보았다.

In order to develop the environmental friendly and high efficient pantograph system for a high speed train, improvement of the aerodynamic characteristics of the pantograph system were carried out by understanding the aerodynamic characteristics of the pantograph system, modifying arm type and designing the pantograph cover conceptually. Firstly, to increase the aerodynamic performance of the pantograph, the optimized panhead which had been acquired by CFD computation were experimentally validated. From analysis of the test results, it is confirmed that the optimized panhead has lower drag and the acoustic noise. Moreover, the decrement of acoustic noise source on 2-dimensional cross-section of the panhead was predicted with comparison of pressure fluctuation difference between the rectangular panhead and the optimized panhead. Secondly, to investigate the aerodynamic characteristics of the pantograph system, experimental studies on 1/4 scale pantograph system which was selected as candidate of HEMU-400X pantograph were performed. Aerodynamic forces and wake patterns of the 1/4 scale pantograph were measured to understand the aerodynamic characteristics of the pantograph system. Finally, the results of wind tunnel tests for 1/4 scale pantograph model were compared with the results of running test. Thirdly, to enhance the aerodynamic performance of the pantograph, arm type of the pantograph were improved by the comparison of three types (double arm, single arm and periscope arm) of the pantograph arm which supports the panhead. In addition, 1/4 scale pantograph covers were conceptually designed to improve the aerodynamic performance of the pantograph and to reduce the acoustic noise. The concepts of the pantograph cover configurations were streamlined shape, cone shape and two wedge shapes. Aerodynamic forces measurement, wake survey and surface flow visualization were performed. Finally, aerodynamic drag of 1/20 scale train model which is HEMU-400X were measured to investigate the aerodynamic effect of the pantograph cover. Three types of the pantograph covers such as streamlined shape and two wedge shapes were compared. The effect of symmetry configuration for the pantograph cover was studied. The effects of additional covers for electrical device in the roof were also studied.