03 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR03A374 고속주행철도차량의속도제어를위한공기제동장치의설계연구 A Study on the Air-Brake System Design of High-speed Rail-way Rolling Stock 이상일 *, 김대규 **, 김철호 Sang-Ill Lee *, Dea-Kyu Kim **, Chul-Ho Kim Abstract In this numerical study, the model air-brake system was developed and tested on the model KTX high-speed train to see its effect on the savings of the brake energy consumption. For this study, CFD simulation program; PHOENCIS (ver.0) was incorporated for the performance analysis of the model airbrake system. From the analysis of the simulation results, it was found that the brake power required to stop the model KTX train by the ATC schedule was reduced about 9% as the air-brake system applied along with the conventional mechanical and electric brake system. The air-brake system also generates the down-force that has the positive effect on the rolling resistance of the model train. Keywords : High-speed rail-way rolling stock, Air-brake system, Aerodynamic drag, CFD, Driving resistance 초록본연구는고속철도차량의공기역학적특성을이용하여기존의기계및전동식제동시스템과더불어공기의저항력을이용하는친환경제동장치인공기제동장치 (air-brake system) 를개발하여적용하므로서고속철도차량의제동장치의에너지효율성을높이는데연구의목적을두고있다. 이를위해본연구에서제안하는공기제동장치의공기역학적특성에관해알아보았으며또한본장치를현재국내에서운행중인 KTX 고속철도차량에적용하였을때기존의제동시스템과대비하여어느정도제동에너지가절약되는지를정량적으로분석해보았다. 본연구는현재국내에서운용중인 KTX 고속철도차량을기반으로차량의공기역학적특성을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램을이용하여정성, 정량적으로분석하였으며또한차량의축소모델풍동실험을통해공기제동장치의작동여부에따른차량주위에서의공기유동현상을정성적으로분석해보았다. 본연구를통해도출된 KTX 고속철도차량의제동에너지는총 6km 제동구간에서기존의기계및전동식제동방식에비해본공기제동시스템을도입하므로서총제동에너지의약 9% 정도가절약된다는연구결과를도출하였다. 주요어 : 고속철도차량, 공기제동장치, 공기저항력, CFD, 주행저항 교신저자 : 서울과학기술대학교공과대학기계자동차공학과 (hokim@seoultech.ac.kr) * 서울과학기술대학교공과대학기계자동차공학과학부생 ** 서울과학기술대학교산업대학원자동차공학과
. 서론본연구에서제안하는공기제동장치 (Air-brake system) 은항공기와같은고속으로운행되는수송수단에적용해오던제동장치이다. 현재지상에서 300km/h 이상의속도로운행되는고속철도차량의경우차량의정차를위해기계식 ( 답면제동, 디스크제동 ) 및전동식제어장치를도입하여운행하고있으며, ATC(Automatic Train Control) 계획에따라총 6km의제동거리를확보하고운행중이다. 이러한기계및전동식제동시스템의경우차량의정차를위해매우큰제동에너지를필요로하게된다. 본연구에서제안하고자하는고속철도차량의공기역학적특성을이용하는공기제동장치는기존의기계 / 전동식제동시스템과더불어적용하므로서고속차량의제동에소요되는제동에너지를절감하게되며, 기존제동장치의수명연장에도움이되므로고속철도차량의운용경제성과친환경성에도움이될것으로기대된다. 일본의고속철도인신칸센철도차량에서는이러한공기제동장치의개념을이미도입하여차량의비상제동시에운행하는것으로되어있다. 그러나본연구에서제안하는제동방식은차량의정차를위해상시사용이가능한공기제동시스템의개발을목표로연구를진행하고있다. 본연구에서는현재제안하는공기제동시스템의가용성과경제성판단을위해 CFD 시뮬레이션기법을이용하여 ATC 제동계획에따른제동에너지의감소율에대해정량적으로판단해보았으며, 모델차량의유동가시화풍동실험을통해공기제동장치의작동유무에따른차량및제동장치주변에서의유동특성변화에의한차량의동적안전성을판단해보았다.. 본론. 주행저항.. KTX차량의주행저항열차의주행저항은차량의속도에비례하는데일반적으로아래식 () 에나타난 Davis equation[] 으로표현된다. R + = A + BV CV () 여기서 V는열차의속도이며, 계수 A와 B는기계적저항을포함하기때문에열차의질량과관련되어있으며 00km/h 이하의저속에서는주행저항은열차의질량에비례하게된다. 그러나고속에서는공기저항에해당하는 CV 이지배항이된다. 실험을통하여열차의타행운전과정에서감속도를측정하여추정한 KTX차량의주행저항식은식 () 와같다.[-3]
R + = 0.77 (0nM ) + 0.008MV + (0.05 0.0035T ) V () 여기서 n= 축수, M= 열차질량 (ton), T= 객차수, V= 열차속도 (km/h). 이러한 KTX 차량의주행저항공식을 CASE() 으로구분하였으며구름저항과공기역학의기본법칙을적용한 KTX 의주항저항식은식 (3) 과같이표현되며 CASE() 로구분하였다. R = μ mg + ρacdv (3) 여기서 R= 주행저항, µ= 레일과차륜과의마찰계수, m= 열차질량 (kg), A= 열차전면투영면적 (m ), C D = 항력계수, V= 열차속도 (m/s).. 에어브레이크작동시 KTX 차량의주행저항에어브레이크를장착한 KTX 의주행저항을구하기위하여 CASE() 으로구분한위의식 () 를사용하였으며, 주행저항식은아래와같다. R = ( 0. 77 ( 0nM ) + 0. 008MV) 0 + ρacd ABrakeV + μfa cosθ (4) 여기서 C D-ABrake = 에어브레이크작동시차량의항력계수, F A = 에어브레이크에가해지는힘, θ= 에어브레이크의설치각도 CASE() 와같이구름저항과유체역학의기본법칙을이용하여도출한식은아래식 (5) 로표현하였다. R = μ mg F ) ρac ( + A cosθ + D ABrake (5) 여기서 F A COSθ 는에어브레이크에의한다운포스 (Down Force) 를나타낸것이다. V F A = PA AA (6) 여기서 P A = 에어브레이크에가해지는압력, A A = 에어브레이크단면적 위와같은식 (6) 을이용하여 F A 를산출할수있다. P A 의값은 CFD 해석을통해값을산출하였다...3 에어브레이크작동시 KTX 차량의 Energy Save Energy Save 공식은에어브레이크작동시의주행저항과에어브레이크를비작동시주행저항의차이를이용하여유도하였다. 식 (7) 인 CASE() 을이용하여식을유도하였으며식 (8) 은 CASE() 를통하여식을유도하였다. W = [( CD ABrake ρ AV + μfa cosθ ) (((0.05 + 0.0035T ) V ) 0)] V (7)
여기서 V = ATC 구간평균열차속도 (m/s), T= 객차수, V = ATC 구간별열차의평균속도 (km/h). W = (( ρ ACD ABrakeV + μfa cosθ) ρacdv ) V (8) KTX 고속철도차량이정지하기위해서는 ATC(Automatic Train Control) 제동계획 [4] 에의해제동시스템이가동된다. 위의식에서제동에너지산출을위해각제동구간별차량의속도는구간별평균속도의값을이용하였다. Fig. ATC(Automatic Train Control) schedule for the stopping of a KTX high-speed train. 모델 KTX 차량의공기역학적특성.. KTX 모델및 Air-Brake 모델특성본연구를위해적용한 KTX 모델차량의차체제원은 Table 에주어진것과같으며, 이를이용하여 KTX 차량 (PC+M+M+PC) 을 3D 모델화하였으며아래의 Fig. 에주어진바와같다. Fig. -D view of the model high-speed train (PC+M+M+PC) Table Geometry specification of a KTX high-speed train KTX 차체의형상제원 동력차 (L x W x H).5m x.8m x 4.m 동력대차 (L x W x H).8m x.9m x 3.5m 객차 (L x W x H) 8.7m x.9m x 3.5m 선로 지붕 4.m 전차선높이 고속선 :5.08m 기존선 :5.m
차량의제동에적용할공기제동장치의설계는 Table 을참조하였으며 KTX 차량의높이와전차선의제원을비교하여공기제동장치의최대높이를결정하였다. 이때동력차공기제동장치의최대높이는 0.8m 이고동력객차, 객차의에어브레이크최대높이는.3m 로설정하였다. 아래 Fig. 3 은본연구를위해설계된공기제동장치의형상과크기를보여준다. Fig. 3 Prospective view of the model air-brake and its dimension.. CFD 해석을위한조건및변수설정차량이주행할때차량주위에서발생하는공기의유동현상을수치해석기법으로묘사하기위해유한체적법 (Finite Volume Method, FVM) 을적용하는범용 CFD 코드인 PHOENICS(ver. 0) 을사용하였다. 또한해석을위한경계조건의단순화를위해주행차량의외부에는바람이없다고가정하였으며, 난류유동장의해석을위해표준 (κ-ε) 모델을이용하였다. 해석을위한공기의유동장은다음과같이정의하였다.[5, 6] - 준 3 차원유동 (Quasi-3D Flow) - 난류유동 (Turbulent Flow) - 비압축성유동 (Incompressible Flow) - 정상유동 (Steady Flow) - 등온유동 (Isothermal Flow) 3. 해석결과및분석 3. CFD 해석결과의정성적분석 3.. 공기제동장치비작동시 KTX 의공기역학적특성아래의 Fig. 4 는 KTX 모델차량의 CFD 해석을위해적용한해석도메인의수치격자의생성예를보여주고있다. 해석을위해격자시험을실시하였으며해석을위한최적의총격자수는 (497) 으로결정하였다. Fig. 4 An example of numerical mesh of the model KTX train ; (4 x 9 x 7) 아래의 Fig.5~Fig.7 은에어브레이크를작동하지않은상태에서 KTX 차량주위에서의유동특성을보여준다. Fig. 5 은차량주변에서의공기속도분포를나타내며, 차량의후방과객차의연결부위에서강한와류현상이발생하는사실을알수있다.
Fig. 5 Velocity distribution on the KTX high-speed train Fig.6 과 Fig.7 은 KTX 차량주변에서의압력분포와난류운동에너지분포를보여준다. 차량전방에강한정체압력이나타나며, 차체의표면에서역시표면마찰저항이나타났다. Fig. 6 Pressure distribution on the surface of the KTX high-speed train 난류운동에너지의경우차체의유선형설계에의해차량주위에서매우낮은운동에너지의분포를보여주고있다. Fig. 7 Turbulent kinetic energy distribution on the KTX high-speed train 3.. 공기제동장치작동시 KTX 의공기역학적특성아래의 Fig.8~Fig.0 은동일운전조건에서공기제동장치를작동하였을때 KTX 차량주변에서의속도, 압력그리고난류운동에너지의분포를보여준다. 공기제동장치작동시모델차량의항력계수 (C D-ABrake ) 를도출하여공기제동장치를않은 KTX 차량의항력계수 (C D-total ) 와비교하였으며이결과를바탕으로제동에너지의경제성을판단하였다. Fig. 8 Velocity distribution of the model KTX train with the air-brake Fig. 8 에서알수있듯이공기제동장치의후방에서매우강한와류현상이발생하며, 이는제동장치의전후방압력차를유발하여공기제동의효과가크게나타난다는사실을보여준다. 동시에차체에다운포스 (down-force) 를유발하여차량의굴림저항력을증가시키는효과를발생하게된다.
Fig. 9 Pressure distribution on the surface of the model KTX train with the air-brake 위의 Fig. 9 는모델차량표면에서의정압분포를보여준다. 그림에서에서알수있듯이차량의전방과공기제동판각각에서매우높은압력이형성된다는사실을알수있다. 이는차체에강한공기저항력을유발하여차체의제동력증가에기여할것으로판단된다. Fig.0 Turbulent kinetic energy distribution of the model with the air-brake Fig. 0 은차체주위에서의난류운동에너지분포를보여준다. 공기제동판후방에서매우강한난류운동에너지손실이발생한다는사실을알수있다. 이러한에너지손실은차량의제동에너지증가로나타남을의미한다. 3. CFD 해석결과의정량적분석 아래 Table 는공기제동장치를작동하지않은상태에서 KTX 차량의 CFD 해석결과를통해동력차와동력대차각각의공기저항계수 (C D ) 값과전체모델차량의공기저항계수 (C D-total ) 를도출한결과를보여준다. Table Drag coefficient (C d-total ) of the model KTX high-speed train 동력차동력대차동력차동력대차 C d- =0.89 C d- =0.085 C d-3 =0.066 C d-4 =0.63 Total Drag Coefficient(C D-total ) = 0.50 아래 Table 3 은공기제동장치의작동시 KTX 차체와공기제동장치각각에서발생하는항력계수의크기와모델차량의총공기저항계수의크기를정량적으로산출한결과를보여준다. Table 3 Drag coefficient (C D-ABrake ) of the KTX train with the air-brake 동력차 동력차의 Air-Brake C d- 0.49 C D-ABrake 0. C d- 0.007 C D-ABrake 0.5 C d-3 0.06 C D-ABrake3 0.5 C d-4-0.4 C D-ABrake4 0.07 Total Drag Coefficient of the KTX High-speed Train(C D-ABrake ) = 0.73
위의 Table 와 Table 3 의결과값을이용하여 KTX 차량에서공기제동장치의작동유무에 따른총항력계수의크기변화를도출해보았다. Fig. Comparison of the total drag coefficient of the model KTX high-speed train Fig. 에서알수있듯이공기제동장치를작동하였을때차량의총공기저항이약 3% 정도 증가한다는사실을알수있다. 3.3 KTX 차량의제동에너지절감분석위의해석결과를통해모델 KTX 차량의공기제동장치의작동유무에따른차량의주행저항을산출하였으며, 이를통해기대되는제동에너지절감의크기를예측해보았다. Fig. 에서알수있듯이공기제동장치를작동시에제동력의약 7% 가감소한다는사실을알수있었으며, 이로인한 Fig. 3 에서알수있듯이제동출력은약 9% 정도줄어든다는사실을알수있다. Fig. Comparison of the brake forces needed for the model KTX high-speed train with or without the air-brake Fig. 3 Comparison of the brake power needed for the model KTX high-speed train with or without the air-brake
4. 결론 본연구는기존의 KTX 고속철도차량에서공기제동장치의작동여부에따른차량의제동효과에대해정성, 정량적으로판단해보았으며다음과같은결론을도출하였다. () 공기제동장치의작동에따른 KTX차량의총제동력의감소비율은약 7% () 공기제동장치의작동에따른제동에너지소모율은약 9% 감소 후기 본연구는 03 년도서울과학기술대학교의통합연구지원사업에의해수행된연구과제이며, 지원에감사드립니다. 참고문헌 [] B. P. Rochard and F. Schmiding, (000)"A review of methods to measure and calculate train resistances," Journal of Railway and Rapid Transit,, Vol. 4, pp. 85-99 [] 권혁빈, 김석원, 김영국, 박춘수, (007), 한국형고속열차의주행저항식예측, 한국철도공학회 007년도춘계학술대회논문집, pp. -7 [3] 박찬경, 김상수, 김기환, 김영국, (009), 철도차량의주행저항측정방법의관한고찰, 한국철도공학회 009년도추계학술대회논문집, pp. 78-787 [4] 한재문, 김석헌, 조용기, (0), 경부고속선 ATC구간에서 300km/h이상종속시험을위한차상신호시스템제어방안에관한연구, 한국철도공학회 0년도정기총회및추계학술대회, pp. 546-550 [5] C.H.Kim, C.B.Youn, (005), AERODYNAMIC EFFECT OF ROOF-FAIRING SYSTEM ON A HEAVY- DUTY TRUCK, International Journal of Automotive Technology,6(3), pp. -7 [6] CHAM, (008), PHOENICS Technical Report (TR/36), Concentration Heat and Momentum Limited