[發(fā)明專利]一種利用地面效應(yīng)氣動(dòng)懸浮和電磁推進(jìn)的新型超高速列車

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310035259.5
• 申請(qǐng)日: 2013-01-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103085805A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 屈秋林;盧哲;劉沛清;郭昊;王宇晨;秦云鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B60V3/04
• 分類號(hào): B60V3/04
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于地面效應(yīng)空氣動(dòng)力學(xué)和高速列車領(lǐng)域，具體涉及一種利用地面效應(yīng)氣動(dòng)懸浮和電磁推進(jìn)的新型超高速列車。

背景技術(shù)

1964年日本建成了世界上第一條高速鐵路，使得當(dāng)時(shí)成為了夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的鐵路運(yùn)輸業(yè)重新煥發(fā)了勃勃生機(jī)。隨后，高速鐵路技術(shù)迅速發(fā)展，各種各樣的高速列車概念不斷出現(xiàn)。目前的高速列車主要包括輪軌和懸浮兩種類型。

輪軌高速列車是目前實(shí)際使用的主要高速列車類型，依靠輪軌間的摩擦力推動(dòng)列車前進(jìn)。輪軌高速列車已經(jīng)達(dá)到574.8km/h的最高試驗(yàn)時(shí)速，技術(shù)相對(duì)成熟。但是，以更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光來(lái)看，輪軌推動(dòng)形式將無(wú)法滿足未來(lái)超高速行駛的需求，因?yàn)槌咚傩旭倳r(shí)輪軌間的巨大載荷和列車受到的氣動(dòng)阻力會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的輪軌磨損疲勞問(wèn)題和輪軌打滑問(wèn)題。因此，未來(lái)超高速列車的形式應(yīng)該是懸浮類型的。

懸浮高速列車目前包括磁懸浮和氣動(dòng)懸浮兩種類型。氣動(dòng)懸浮列車的懸浮和推進(jìn)都是依靠氣動(dòng)力實(shí)現(xiàn)的，其懸浮力主要由車身加裝的機(jī)翼提供，推進(jìn)力由螺旋槳或噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)提供。螺旋槳或發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝必然會(huì)破壞列車簡(jiǎn)潔的氣動(dòng)外形，增大氣動(dòng)阻力，并且會(huì)帶來(lái)噪音等一系列問(wèn)題，因此轉(zhuǎn)為電磁力推進(jìn)更為合適。

磁懸浮列車的懸浮力和推進(jìn)力均由一組安裝在列車和軌道上的電磁鐵產(chǎn)生的電磁力提供，需要消耗大量電能，電磁鐵自身的重量也會(huì)增大列車的能耗。雖然超導(dǎo)電磁鐵可以大大降低電能消耗，但使導(dǎo)體達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)需要將導(dǎo)體冷卻到極低的溫度。日本于1999年成功進(jìn)行了時(shí)速500km/h的超導(dǎo)磁懸浮列車試驗(yàn)，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是車載超低溫冷凍系統(tǒng)，每一車載強(qiáng)磁單元上分別裝有一臺(tái)液氦及一臺(tái)液氮壓縮制冷機(jī)，用以提供能夠?qū)?dǎo)體冷卻至超導(dǎo)狀態(tài)的低溫液氦和液氮。這樣來(lái)看，盡管超導(dǎo)電磁鐵的使用降低了電能消耗，但是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)所需的壓縮制冷機(jī)又會(huì)額外地消耗大量電能。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明根據(jù)地面效應(yīng)空氣動(dòng)力學(xué)原理對(duì)現(xiàn)有高速列車底部進(jìn)行氣動(dòng)修形，得到一種新型超高速列車，該列車將高速行駛時(shí)車身提供的氣動(dòng)升力作為懸浮力，將車身和軌道間的電磁力作為推進(jìn)力，將氣動(dòng)力同電磁力共同作為導(dǎo)向力，與傳統(tǒng)磁懸浮列車相比大大降低了電能的消耗。

由上述背景技術(shù)介紹可知，懸浮的列車形式是未來(lái)超高速列車的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)電磁推進(jìn)方式相比航空發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)方式更適用于列車，但電磁懸浮方式加劇了電能消耗，并增大了車體自身重量。鑒于此，本發(fā)明提出了一種超高速列車，該列車將高速行駛時(shí)車身提供的氣動(dòng)升力作為懸浮力，將車身和軌道間的電磁力作為推進(jìn)力，將氣動(dòng)力同電磁力共同作為導(dǎo)向力，與傳統(tǒng)磁懸浮列車相比大大降低了電能消耗和車身自重。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：根據(jù)地面效應(yīng)空氣動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)現(xiàn)有磁懸浮列車的車底進(jìn)行氣動(dòng)修形，使車底成為一個(gè)連續(xù)光滑的收縮形曲面，收縮形曲面與軌道表面共同構(gòu)成一條收縮的氣流通道。該氣流通道在車頭進(jìn)口處截面積最大，在車尾出口處截面積最小。在合理的氣流通道形狀下，地面效應(yīng)會(huì)使遠(yuǎn)前方的高速來(lái)流在車頭進(jìn)口處受到阻滯，部分氣流從進(jìn)口邊緣繞流到氣流通道外側(cè)，并沿車頭外表面向后流走，這樣就使進(jìn)入車底的氣流流管擴(kuò)張，流速降低。由伯努利方程可知，此時(shí)氣流壓力增加，從而產(chǎn)生很大的垂直軌道面向上的氣動(dòng)升力，可將列車懸浮在軌道上。盡管車底的高壓區(qū)會(huì)產(chǎn)生額外的阻力，但車頭進(jìn)口前緣的繞流會(huì)局部加速并形成前緣低壓區(qū)，又可以抵消部分阻力。由于氣動(dòng)力與列車速度的平方成正比，因此在超高速行駛時(shí)，氣動(dòng)效果會(huì)非常明顯，氣動(dòng)力可以完全將列車抬升起來(lái)。另外，列車的推進(jìn)方式為電磁推進(jìn)，而轉(zhuǎn)向則采用電磁力和氣動(dòng)力相結(jié)合的形式，以最大限度降低電能消耗。

本發(fā)明利用地面效應(yīng)產(chǎn)生的氣動(dòng)升力代替電磁力使列車懸浮，既保留了傳統(tǒng)磁懸浮列車阻力小、速度高的優(yōu)勢(shì)，又改善了電磁懸浮的電能消耗問(wèn)題，同時(shí)降低了車載超導(dǎo)相關(guān)設(shè)備的重量，因此可以降低列車超高速運(yùn)行時(shí)的能耗，提高了運(yùn)輸?shù)男省?/p>

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中所述的超高速列車的運(yùn)行示意圖；

圖2a和圖2b分別是本發(fā)明中所述的超高速列車的主視圖和后視圖；

圖3a和圖3b分別是本發(fā)明中所述的超高速列車的車底外形的俯視示意圖和仰視示意圖；

圖4a～圖4d是本發(fā)明中所述的超高速列車的車底氣流通道截面B-B、C-C、D-D、E-E的形狀示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。