tECHnOLOGiE Aerodynamik Internationales Verkehrswesen (64) 2 | 2012 60 Aerodynamik von Hochgeschwindigkeitszügen Steigende Energiepreise und die Notwendigkeit, CO 2 -Emissionen zu reduzieren, schafen Impulse, die aerodynamische Leistung und Energieeizienz von Schienenfahrzeugen zu verbessern. Das DLR untersucht innovative Technologien zur Entwicklung einer neuen Generation von Hochgeschwindigkeitszügen mit einer wesentlichen Verbesserung der Aerodynamik in Bezug auf Strömungswiderstand und Seitenwindstabilität. V on Rekordfahrten mal abgesehen hat die Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsverkehrs seine Wurzeln um das Jahr 1935. Zu diesem Zeitpunkt erreichten stromlinienförmig verkleidete Damplokomotiven und Dieseltriebwagen erstmals die „magische“ Geschwindigkeit von 200 km/ h. Während die Vorgänger-Gesellschaften der Firma Bombardier Transportation und Siemens die Lokomotiven bauten, haben die Aerodynamiker in Göttingen die Windleitbleche entworfen. Bei diesen Geschwindigkeiten konnte durch die verschiedenen Verkleidungen ein Leistungsgewinn bis zu 20 % erzielt werden. Nach längerer Pause sind die Rekordgeschwindigkeiten dann ab 1955 durch französische Lokomotiven und Triebwagenzüge vorangetrieben worden, bis sie Abb. 1: Der neue Hochgeschwindigkeitszug ZEFIRO Graik: Bombardier Transportation im Jahre 2007 schließlich 575 km/ h erreichten. Dem folgten die fahrplanmäßig gefahrenen Geschwindigkeiten, bis die chinesischen Triebzüge CRH380 im Januar 2011 mit 420 km/ h fuhren. Allerdings wurden diese aus ökonomischen und Streckendurchsatzgründen gerade wieder auf eine Geschwindigkeit von 350 km/ h abgesenkt. Bombardier Transportation hat einen neuen, energieeizienten Hochgeschwindigkeitszug, den ZEFIRO [3], entwickelt, der fahrplanmäßig 380 km/ h schnell ist. Erster Kunde ist das chinesische Eisenbahnministerium. Das DLR untersucht innovative Technologien für den Hochgeschwindigkeitsschienenverkehr in dem Projekt „Zug der Zukunft/ Next Generation Train - NGT“ [1]. Eines der untersuchten Fahrzeugkonzepte basiert auf einem doppelstöckigen Hochgeschwindigkeitszug, der mit ca. 790 Fahrgästen 400 km/ h schnell die europäischen Flughäfen über das aufgewertete Transeuropäische Streckennetz (Trans European Network - TEN) befördert. Die Untersuchungen des DLR darüber, wo denn die technisch und wirtschaftlich sinnvollen Grenzen für das Rad-Schiene-System liegen, sind noch nicht abgeschlossen. aerodynamische Herausforderungen bei ultra-Hochgeschwindigkeit Aus Sicht des sehr großen europäischen Bestandsnetzes und aufgrund der geringen Entfernungen zwischen den Städten wird sich auch nach dem Netzausbau entsprechend des aktuellen Weißbuchs vom April 2011 die Höchstgeschwindigkeit bei 300 km/ h einpendeln. Die Autoren: Joachim Winter, Sigfried Loose, alexander Orellano Internationales Verkehrswesen (64) 2 | 2012 61 Diese Situation ist auf Kontinenten oder in Flächenländern (z. B. China, Brasilien, USA), die jetzt erst mit dem Aubau eines Schienennetzes für den Personenverkehr begonnen haben, deutlich anders. Meist werden hier Ultra-Hochgeschwindigkeiten im Bereich 350 - 450 km/ h angestrebt und technisch realisiert. Ob sich der damit verbundene Energieverbrauch und Verschleiß nachhaltig auch ökonomisch durchsetzen lässt, muss derzeit dahingestellt bleiben. Aus der Formgebung des Fahrzeugs, der Strecke und deren „Möblierung“ sowie dem geplanten Betrieb ergeben sich sehr komplexe Anforderungen an die Aerodynamik. Noch vor recht kurzer Zeit waren Versuchsfahrten für Machbarkeitsuntersuchungen notwendig, weil man die auftretenden Phänomene entweder nicht kannte oder nicht einschätzen konnte. Hier wurden weltweit die Werkzeuge und Methoden [2], [3] stark nachgebessert. Das existierende, weltweit europäisch geprägte Regelwerk, deckt diesen Geschwindigkeitsbereich nicht ab und beindet sich im Rahmen der europäischen Interoperabilitätsrichtlinie (TSI) in einer Revisionierung. Die Entwickler versuchen nun, möglichst glatte Züge mit spitzen Nasen zu entwickeln, wobei sich der Triebzug besonders bewährt hat, weil die Eisenbahn ja der einzige Verkehrsträger ist, bei dem die Fahrzeuge in beide Richtungen Gleiches leisten müssen. triebzug Die stromlinienförmige Verkleidung der Damplokomotiven und bei manchen Zügen auch der Waggons (Wegmann-Zug) diente der Verringerung des Luftwiderstandes und damit dem Leistungszugewinn von ca. 20 % aus der installierten Antriebsleistung. Die erreichbaren Geschwindigkeiten lagen knapp über 200 km/ h. Aerodynamisch erwies sich schließlich der Triebzug mit Triebköpfen als günstig. Mit Dieselantrieben konnten so 250 km/ h und mit elektrischem Antrieb in Sonderausführungen sogar 575 km/ h erreicht werden. Bei den Triebzügen werden oberhalb von 250 km/ h die Roll- und Antriebsgeräusche durch den aerodynamisch induzierten Lärm übertönt. Deshalb sind erhebliche Anstrengungen notwendig, um die aerodynamischen Lärmquellen zu reduzieren und damit auch, im willkommenen Nebenefekt, den Luftwiderstand zu verringern. Die erreichbaren Luftwiderstandsbeiwerte c W liegen zwischen 1 und 0,5. Die Stirnläche der Schienenfahrzeuge ist durch das Lichtraumproil begrenzt und unterscheidet sich daher nicht sehr stark. Zum Luftwiderstand trägt damit in besonderem Maße die Geschwindigkeit quadratisch bei. Der Abb. 2: Mit der Seitenwind-Versuchsanlage kann simuliert werden, welche Kräfte und Drücke bei Seitenwind auf einen Zug wirken Foto: DLR Abb. 3: Im Projekt NGT forscht das DLR an einem 400 km/ h schnellen, doppelstöckigen Triebzug mit verteiltem Antrieb tECHnOLOGiE Aerodynamik Internationales Verkehrswesen (64) 2 | 2012 62 Leistungsbedarf erhöht sich sogar mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit. Aerodynamisch bedeutet dies auf freier Strecke, dass der Luftwiderstand gegenüber einer Triebzugnase in Form eines Kugel- Abb. 4: Zugmodell im Windkanal Foto: DLR Abb. 5: Modellaufbau Tunneleintritt abschnittes nicht wesentlich verbessert werden kann. Der Luftwiderstand erhöht sich jedoch durch die Wandreibung entlang der Mittelwagen mit zunehmender Fahrzeuglänge. Zudem haben Anbauten (wie Klimaanlage, Stromabnehmer, Antennen, Stromrichter und Starkstromkabel usw.) am Schienenfahrzeug durch die von ihnen verursachten Luftwirbel einen wesentlichen Einluss auf den Luftwiderstandsbeiwert. Die üblichen Winkanalmodelle bilden zwar das Fahrwerk richtig nach, nicht aber die Anbauten. Deshalb werden bei der Ermittlung des Luftwiderstandsbeiwertes tabellarisch erfasste Zuschlagswerte aus Fahrzeugtests hinzuaddiert. Es ist zumeist vorteilhaft, die Stirnläche zu vergrößern, aber dafür alle unvermeidbaren Anbauten unter der Verkleidung zu platzieren. Die Wagenübergänge und die Fahrwerke sollten ebenfalls verkleidet sein. Dann bleibt der Stromabnehmer übrig, solange man mit einem Fahrdraht fährt. Im DLR-Projekt „Zug der Zukunft/ Next Generation Train - NGT“ wird daher untersucht, ob die Energie auch auf der ganzen Zuglänge induktiv aus der Festen Fahrbahn übertragen werden kann. Seitenwind Heutige Triebzüge bestehen entweder aus einem Triebkopf (Lokomotive), einer Anzahl Mittelwagen und einem Steuerwagen oder einem weiteren Triebkopf. Die Zahl der benötigten Triebköpfe hängt vom Fahrzeuggewicht ab. Um bessere Beschleunigungen über den Rad/ Schiene-Kontakt zu erzielen, setzt man bei den modernen Hochgeschwindigkeitszügen überwiegend auf verteilte Antriebe, das heißt, die Antriebsleistung wird über möglichst viele Radsätze des Triebzuges verteilt. Damit können dann auch Fahrgäste in den Steuerköpfen der Triebzüge platziert werden. Allerdings wird der Steuerkopf dadurch leichter und damit empindlicher gegen Seitenwind. Noch leichter sind die Mittelwagen, deren in Fahrtrichtung erster ebenfalls besonderer Aufmerksamkeit bedarf. Hohe Beschleunigungen bei möglichst geringem Energieaufwand bedingen ein leichtes Fahrzeug. Der Einsatz von Leichtbaumethoden kann bis zu 30 % Gewichtseinsparung bringen und verschärft somit die Empindlichkeit gegenüber Seitenwind. Denn die auf das Fahrzeug wirkende Seitenkraft und der Auftrieb, den das Fahrzeug bei Seitenwind aus der resultierenden Schräganströmung erfährt, können zu einer ungewollten Entlastung (< 10 % Restaufstandskraft) insbesondere der führenden Radsätze führen. Es sei denn, diese aerodynamischen Kräfte und die daraus resultierenden Momente werden durch ein Mehr an Gewicht und/ oder durch Kräfte, die von Internationales Verkehrswesen (64) 2 | 2012 63 aerodynamischen Steuerelementen induziert werden, kompensiert. Die existierenden Hochgeschwindigkeitszüge kommen mit Zusatzgewichten im Endwagen oder mit passiven (nicht bewegten), relativ kleinen Spoilern aus. Anderenfalls werden fahrdynamische Untersuchungen im Zusammenspiel mit aerodynamischen Maßnahmen der Formgebung der Endwagen oder gar aktiven Steuerelementen notwendig. Im Projekt NGT forscht das DLR an einem 400 km/ h schnellen, doppelstöckigen Triebzug mit verteiltem Antrieb, der gegenüber einem TGV Duplex auf den Sitzplatz bezogen etwa 43 % leichter ist. Die derzeitigen Forschungsarbeiten konzentrieren sich darauf, den Einsatz von aufwendigen aktiven Steuerelementen zu vermeiden und den Triebzug dennoch unter allen Umständen sicher zu betreiben. Zur Untersuchung der Fahrstabilität werden Fahrzeugmodelle des NGT-Endwagens und des ersten Mittelwagens im Windkanal vermessen [2]. Die Messergebnisse werden durch eine hochgenaue Strömungssowie Fahrdynamiksimulation veriiziert. Die strömungstechnischen Untersuchungen zum Seitenwindeinluss insbesondere auch eines Fahrzeugs auf dem Bahndamm führt das DLR seit Oktober 2010 mit einem eigens dafür entwickelten Windkanal in Göttingen durch. Das DLR bringt seine erarbeitete Kompetenz auch in die europäischen Standardisierungsgremien ein. tunneleintritt Aus den Umgebungsbedingungen des Schienenfahrzeuges ergeben sich weitere besondere Belastungen, die durch den Tunneleintritt verursacht werden. Eine Steigerung der Fahrgeschwindigkeit hat bei Tunneldurchfahrten zur Folge, dass sich die durch den Zug induzierten Druckwellenamplituden deutlich erhöhen. Bei ungünstiger Konstellation kann dadurch am Ende des Tunnels ein Knallgeräusch durch Mikrodruckwellen erzeugt werden. Die Druckwelle steigert die mechanischen Belastungen zum einen für Bauteile und Strukturelemente des Fahrzeugs sowie für die Tunnelanlage. Zum anderen bedeuten sie ein sicherheitsrelevantes Problem für das Wartungspersonal von Tunnelanlagen. Die Höhe der zu erwartenden Druckamplitude skaliert im Wesentlichen mit der Zuggeschwindigkeit, dem Verblockungsfaktor (Querschnitte des Tunnels geteilt durch den Querschnitt des Fahrzeuges), der Kopform und Koplänge (Formparameter), der Tunnellänge und der Tunnelbeschafenheit beziehungsweise der Geometrie (Schotter, Oberlächen etc.). Mit der Form des Schienenfahrzeugs, kann man Einluss auf das Verhalten der Luftsäule bei der Tunneldurchfahrt und den dabei hervorgerufenen Druckwellen nehmen. Eine weitere Möglichkeit der Einlussnahme besteht in der Veränderung der Tunnelgeometrie. Für die zulässige Geschwindigkeit im Tunnel ist entscheidend, ob der Tunnel ein- oder zweigleisig ausgeführt worden ist und ob gattungsreiner HGV oder Mischverkehr mit Güterzügen erfolgt. Soll der Tunnel mit unverminderter Geschwindigkeit durchfahren werden, muss er zur Vermeidung des Zugbegegnungsdrucks eingleisig gebaut werden. Für die kontinuierliche Luftverdrängung bei Tunneleintritt eines Triebzuges mit hoher Geschwindigkeit ist das Tunnelportal entscheidend. Tunnelseitig sollte ein Einlauftrichter auf einen Tunnelquerschnitt führen, der genügend Luft am Zug zurückströmen lässt. Ein solcher Tunneleintritt kann auch durch Vorbau nachgerüstet werden. Fahrzeugseitig kann so vermieden werden, dass eine sehr lange Triebzugnase durch das Lichtraumproil die fahrbaren Kurvenradien einschränkt. Die Kopfwelle des Triebzugs kann durch einen großen Schlankheitsgrad reduziert werden. Für den doppelstöckigen NGT wird bei Einhaltung des Triebfahrzeugführersichtwinkels ein mittlerer Schlankheitsgrad angesetzt, um das Lichtraumproil G2 einhalten zu können und weil zukünftig Tunnel auf Hochgeschwindigkeitsstrecken parallel eingleisig mit einem Einlauftrichter zur kontinuierlichen Luftverdrängung gebaut werden. Bahnhofsdurchfahrt und fahrzeugbegegnung Jeder am Bahnsteig wartende Fahrgast kennt das Phänomen, das ein schnell durchfahrender Zug zunächst einen ruckartigen Wind erzeugt und dann einen Sog. Aus diesem Grund ist es in Abhängigkeit von der Warteposition am Bahnsteig auch bei einfahrenden Zügen gefährlich, zu dicht an der Bahnsteigkante zu stehen. Das Gesagte gilt natürlich entsprechend auch für streckennahe Objekte. Dies ist der sogenannte Slip Stream, eine vom Zug mitgeschleppte Grenzschicht und Nachlaufströmung. Durch die Bewegung des Zuges wird Luft verdrängt, was sich in Verbindung mit der sich am Fahrzeug bildenden Grenzschicht in einer vom Fahrzeug induzierten, komplexen dreidimensionalen Strömung ausbildet. Diese wird bestimmt durch die Zuglänge und -geschwindigkeit, durch die Oberlächenbeschafenheit und die Form des Zuges, den Zugtyp (Personenzug, Güterzug; Doppelstockzug etc.), den lokalen Wind und die Umgebungsverhältnisse. Die vom Strömungsfeld des Fahrzeugs auf den Menschen ausgeübten Kräfte skalieren mit der Strömungsgeschwindigkeit und diese wiederum ist abhängig vom Abstand des Menschen vom Zug. Die von diesem Strömungsfeld in Verbindung mit der Nachlaufströmung ausgehende Gefahr ist für einen Hochgeschwindigkeits-Doppelstockzug wie den NGT am größten. Deshalb sieht das Zugkonzept vor, dass die Fahrzeugoberläche möglichst glatt und ohne Sprünge ist. Die Fahrwerke Abb. 6: NGT-Strömungsmodell Foto: DLR tECHnOLOGiE Aerodynamik und Wagenübergänge sind voll verkleidet. Dem Nachlauf des NGT wird besondere Aufmerksamkeit gewidmet, weil bei existierenden Fahrzeugen hier die höchsten Geschwindigkeiten auftreten. Eine aerodynamisch gute geformte Fahrzeugnase ist in den meisten Fällen kein gutes Fahrzeugheck. Deshalb müssen bei einer gesamtheitlichen Optimierung Kopf- und Heckeinluss gleichzeitig betrachtet werden. Da das beschriebene Strömungsfeld sich bei jedem Fahrzeug ausbildet, entstehen besonders hohe Drücke zwischen zwei sich mit hoher Geschwindigkeit begegnenden Zügen. Die Kopfwelle beider Züge wandert an der Seitenwand des jeweils entgegenkommenden Zuges entlang und sorgt für rasch wechselnde Druckverhältnisse. Insbesondere werden die Wagenübergänge, Fenster und Türen von diesen Druckwellen stark beansprucht. Bei nicht druckdichten Fahrzeugen wird diese Druckwelle als unangenehmer Knall wahrgenommen, der die Fahrgäste durchaus schmerzen kann. Die Folge ist, dass der Regelgleisabstand von 3,50 m auf 4,50 m bei Hochgeschwindigkeitsstrecken erhöht wurde. Die Hochgeschwindigkeitszüge der neueren Generation werden möglichst gut druckdicht ausgeführt. Schotterflug Auf einem Flugfeld liegen keine losen Gegenstände und auf einer Hochgeschwindigkeitsstrecke sollten sie auch nicht liegen. Auf einer Schotterstrecke ist darauf zu achten, dass nach Bau- oder Wartungsarbeiten der Schotter gekehrt wird und keine Steine oberhalb der Schwelle oder gar auf der Schwelle liegen. Untersuchungen, die die SNCF [4] im Herbst 2008 mit einem TGV Duplex durchgeführt hat, haben gezeigt, dass der Schotterschlag nur vormittags mit bis zu 60 Trefern stattfand. War das Schotterbett durch den Betrieb geräumt, war der Schotterschlag nicht mehr nennenswert. Eine sogenannte Schotterlawine kann durch einen Schotterstein oder im Winter durch einen gelösten Eisbrocken ausgelöst werden, der andere Schottersteine trift und diese über Unebenheiten im Unterboden mit Unterstützung der Luftverwirbelung zurückschießt und so weiteren Schotter in Bewegung setzt. Eine solche Lawine kann sich bei Hochgeschwindigkeitszügen so entwickeln, dass die Steine von der Strömung unter dem Zug ausgetragen und in die Seitenverkleidung des Zuges geschleudert werden. Ein solches Problem kann auf einer Hochgeschwindigkeitsstrecke mit entsprechend präparierter Fester Fahrbahn nicht auftreten. Um das Problem auch zugseitig zu verhindern und aerodynamisch sowie akustisch eine gute Lösung anzubieten, ist der NGT auf der Unterseite vollkommen glatt. Da er schon vom Bauvolumen nur 20 cm über der Schienenoberkante liegt, ist sowieso kaum Raum für Aggregate am Unterboden. Zusammenfassung Das Verbundthema Aerodynamik berührt Aspekte des Fahrzeuges, der Infrastruktur und des Betriebs und ist deshalb sehr komplex. Mit zunehmender fahrplanmäßiger Geschwindigkeit der Züge sind in der Praxis immer wieder Efekte aufgetreten, die man mit den mathematischen Methoden der fahrdynamischen und strömungstechnischen Verhältnisse nur schwer simulieren und in den Windkanälen nicht veriizieren konnte. Hier ist viel Arbeit geleistet worden. Alexander Orellano, Dr.-Ing. Bombardier Transportation Hennigsdorf Leiter Kompetenzzentrum für Aerodynamik & Thermodynamik alexander.orellano@de.transport. bombardier.com Sigfried Loose, Dipl.-Phys. Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Göttingen sigfried.loose@dlr.de Joachim Winter, Dr.-Ing. Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart joachim.winter@dlr.de LITERATUR [1] WINTER, J.: Neuartiges Zugkonzept eines Hochgeschwindigkeitszuges für die übernächste Generation - Next Generation Train (NGT), Eisenbahningenieur Rad-Schiene 2011 [2] LOOSE, S.: Ohne viel Wirbel - Der Zug der Zukunft ist leicht und schnell, vor allem aber sicher, DLR Nachrichten Nr. 118, 2007, S. 38 - 43 [3] Marek, H.; oreLLano, a.; ScHober, M.: energieeiziente Schienenfahrzeuge und Standardisierung, etr 10, 2010, S. 710 - 717 [4] PeraLeS, r.; MiLeSi, n.; DeScanteS, Y.: on the damaging efects of the ballast tamping operation, 9th World congress railway research - Wcrr, Lille, 22 - 26 May 2011, G5 [5] Winter, J. (ed.): nGt - next Generation train, rtr Speccial 2011 Dr. Martin Henke, VDV-Geschäftsführer Eisenbahnverkehr „ Europäische Bahnen ist das Kompendium der Branche, das in seinem Umfang, in der Übersichtlichkeit und in der Qualität der Informationen seinesgleichen sucht. Für uns beim VDV ist es trotz unserer vielen direkten Kontakte unverzichtbar.“ Bestellen Sie jetzt unter www.eurailpress.de/ eb - für uns ein unverzichtbares Arbeitsmittel “ „ Europäische Bahnen 4362_anz_erp_ep_210x99.indd 1 05.03.2012 16: 41: 08 Deshalb sind jetzt Fahrgeschwindigkeiten der Serienzüge von über 400 km/ h sicher möglich. ɷ