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보도자료

철도연, 고속철도 터널 폭발음 저감 후드 개발

- 고속철도 터널 외부 폭발음 80% 이상 줄이는 세계 최고 성능
- 상어 아가미에서 아이디어 얻어 철도선진국 대비 터널 단면적 25% 저감


한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 나희승)은 고속철도 터널의 공기 압축에 의한 폭발음을 줄이는 ‘터널 폭발음 저감 후드 기술’을 개발하여 현장 성능검증을 완료했다.


고속열차가 터널에 진입하면 터널 내부의 압력 변화로 인해 파동이 발생하고, 이 파동의 일부분이 터널 출구에서 폭발음과 같은 큰 충격성 소음을 일으킨다.


터널 주변의 민가와 축사 등에 큰 피해를 주기 때문에 터널 출구의 큰 폭발음 발생은 고속철도 설계에서 매우 중요한 쟁점이 되고 있다.


항공기가 음속을 돌파할 때와 비슷한 폭발음이 지상에서 발생하는 셈인데, 이를 미기압파(micro pressure wave), 또는 터널 소닉붐(tunnel sonic boom) 이라고 부른다.


고속철도 터널 출구의 이러한 폭발음을 줄이기 위해 많은 나라들이 터널 단면적 확장, 터널 입구에 압력구배 저감 후드 설치, 고속열차의 전두부를 길게 설계하는 방법 등을 적용하고 있다.


하지만, 터널 단면적을 크게 하면 철도건설 비용이 상승하고, 고속열차의 전두부를 길게 하면 공력저항이 증가하여 연간 운영비가 높아진다는 단점이 있다.


이러한 문제로 설치비가 저렴한 공기역학 구조물인 `압력구배 저감 후드`를 터널 입구에 설치하는 방법이 적용되고 있으나, 성능에 한계가 있었다.


철도연이 개발한 ‘터널 폭발음 저감 후드’는 상어가 고속으로 헤엄칠 때 입으로 유입되는 바닷물의 압력을 감소시키기 위해 양쪽으로 아가미를 벌리는 모습에서 아이디어를 얻었다.


상어 입안과 아가미의 3차원 구조변화로 인한 압력구배 저감 원리를 응용하여 상어 생체모사 후드 구조체를 개발했다.


연구책임자인 김동현 철도연 수석연구원은 “터널 폭발음 저감 성능이 약 84%로 일본, 독일, 중국 등의 터널 후드 구조체 터널 폭발음 저감 성능 50%에 비해 약 30% 이상 우수한 세계 최고 성능이다.”고 밝혔다.


후드 건설비도 후드의 길이가 짧아져 약 40% 정도 절감할 수 있으며, 앞으로는 터널 앞에서 고속열차의 속도를 줄일 필요가 없어졌다.


철도연은 개발한 ‘터널 폭발음 저감 후드’를 초고속 열차모델 터널 주행시험장치에서 최적 설계 축소모델 성능시험을 실시했고, 충북 오송의 철도종합시험선 제5터널에 설치하여 현장시험을 완료했다.


축소모델 성능시험과 실물 현장시험 결과는 한국산업기술시험원(KTL)으로부터 공인시험성적서를 받았고, 미국, 일본, 독일, 중국 등 4국 국제특허 등록을 완료했다.


또한, 상어 생체모사 후드는 내년 완공되는 시속 250km급의 중부내륙철도와 춘천~속초 고속화철도 설계 등에 기술이전하여 기술을 반영했다.


한국은 현재 250km/h급 고속철도의 터널을 세계 최소 단면적으로 건설하고 있다. 터널 단면적 크기의 한계를 상어 생체모사 후드 기술로 극복하게 된 것이다.


연구개발 및 성능시험은 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 철도기술연구사업으로 수행했다.


※ 관련 연구과제

- 과제명: 고속화철도(250km/h이하) 터널 미기압파 저감 후드 기술개발

(※국토교통부 철도기술연구사업으로 진행)

- 연구기간: 2017. 4. ~ 2020. 6. (3년 3개월), 총연구비: 62.85억원

- 연구기관(연구책임자) : 한국철도기술연구원 (김동현 수석연구원)


나희승 철도연 원장은 “터널의 폭발소음을 줄이는 친환경적인 기술이면서 터널 단면적도 줄이는 경제적인 기술”이라며, “계속해서 첨단 기술로 성능한계를 극복하고, 친환경 미래 모빌리티의 경쟁력 창출을 위해 노력하겠다”고 전했다.



※참고: 고속철도 터널 폭발음을 줄이는 상어 생체모사 모양의 터널 후드 관련 이미지 및 동영상


고성능 폭발음 저감 후드 구조체, 후드 구조체 내부의 수평통풍관(빨간색 통로) 첫번째 이미지고성능 폭발음 저감 후드 구조체, 후드 구조체 내부의 수평통풍관(빨간색 통로) 두번쨰 이미지

<고성능 폭발음 저감 후드 구조체, 후드 구조체 내부의 수평통풍관(빨간색 통로)>


HEMU-430X 고속열차KTX-산천 고속열차

<철도현장에서 후드 구조체 성능시험(좌: HEMU-430X 고속열차, 우: KTX-산천 고속열차) >


터널 내부의 각종 계측장치(열선유속계, 입력센서, 대기압 온/습도계, 시그널 컨티셔너&베터리, 시그널컨티셔너, 리튬-이온베터리, 열선 유속계 TSI 8465(0m/s ~ 50m/s), 압력센서(ENDEVCO), 대기압 온/습도계 )터널 출구 외부에서의 미기압파 계측 마이크로폰으로 게측하는 이미지

<터널 내부의 각종 계측장치, 터널 출구 외부에서의 미기압파 계측>


상어의 호흡방식을 생체모사하여 적용한 후드 구조체 모습

<상어의 호흡방식을 생체모사하여 적용한 “후드 구조체” 모습>


첫번째 이미지는 초고속 열차모델 터널 주행시험기로 열차모델, 후드모델, 터널모델이 나뉘어져있는 이미지, 두번째이미지는 가속관 및 덤프탱크이미지, 세번째 이미지는 처고속 피스톤 밸브 발사장치 이미지

<1/64 축소모델로 최적설계 성능시험을 진행한 ‘초고속 열차모델 터널 주행시험장치’(최고속도 540km/h)>


열차가 터널로 진입할때 압력파가 터널 출구부분으로 전달되어 미기압파 방사로인해 쾅! 하는 폭발음이 생기고 터널 근처에 사는 주민들은 이로인해 중압감과 불쾌감이 생깁니다.

<고속철도 터널 폭발음>


<터널 단면적이 작으면 고속철도 터널 출구에서는 폭발음이 발생한다.>

고속열차가 터널에 진입할 때 압력파가 생성되어 터널의 끝을 향하여 음속으로 전파한다. 이러한 압력파의 일부분은 충격성 소음·진동의 형태로 터널 출구로부터 외부로 방사되는데 이를 미기압파(micro pressure wave) 또는 소닉붐(sonic boom)이라고 부른다. 터널 단면적이 작은 경우에, 터널 근처의 민가에 폭발음의 환경소음과 함께 심한 저주파 진동을 발생시킨다.


상어가 입 벌리고 주행 시 아가미 열림(유입 유체의 압력 구배 감소)을 차용한 이미지

<상어 생체모사 적용>


상어가 앞으로 전진하여 아가미로 물을 보내는 호흡방식을“램 벤틸레이션(ram ventilation, 강제 환수)”이라 하며, 상어의 “램 벤틸레이션”에서 아이디어를 얻었다.


터널 폭발음(미기압파) 극복을 위한 국내외 기술 비교이미지로 일본신칸센, 중국, 독일ICE, 프랑스TGV의 저감률을 45%~50%, 호남고속철도 현장시험으로 주행시험기 성능검증의 저감률은 52%~55%, 2014년 개발된 후드모델(철도연)의 저감률은 64%~72%, 2018년 개발된 후드 모델(철도연)의 저감률은 82%~84%

<터널 폭발음(미기압파) 극복을 위한 국내외 기술 비교>


터널 후드 성능 비교로 일본은 미기압파 저감후드의 저감률은 최대 50%이고 미기압파 저감형 고속열차 전두부는 12%~15%저감, 미기압파 총 저감률은 65%저감, 고속열차의 공력 저항은 미기압파 저감형 전두부는 공력저항 약 4.5% 증가(열차동력비용 약4.5% 상승)이고 한국은 미기압파 저감후드로 최대 84% 저감, 미기압파 저감형 고속열차 전두부 해당사항없음, 미기압파 총 저감율은 84%저감, 고속열차 공력저항은 공력저항 증가 없음

<터널 후드 성능 비교>


고속철도 터널 폭발음 발생, 성능검증 현장시험, 초고속 열차모델 주행시험 등 동영상(유튜브 게시 중)

https://youtu.be/ZQmxxLyXKXw


컨텐츠 담당자

담당부서 : 홍보협력팀 연락처 : 031-460-5162 최종수정일 : 2020-12-28

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