틸팅열차

개요

기존의 선로에서 운행할 수 있으며 곡선부를 통과할 때 열차의 차체를 기울어지게 하여서 차체에 추가적인 캔트를 주는 기계장치를 장착한 열차로 기존 열차 대비 높은 속력을 높일 수 있는 열차를 의미한다.

필요성

전세계적으로 보았을 때 상당수의 철도 노선은 대략 1900년대 초반~중반에 건설된 것들이다. 건설 당시의 기술요건으로 맞춰진 속력은 그때는 충분히 빠른 것이었지만 21세기에 고속철도가 돌아다니는 시대의 관점에서 바라보면 상당히 느려터진 속력으로 볼 수밖에 없다. 특히 산악구간을 지나는 노선의 경우 궤도 곡선반경이 상당히 작은 편에 속한다. 물론 선형 개량 등을 통하여서 약간씩의 속도 향상을 하기는 하였지만 아예 굽은 허리를 쭉쭉 펴 버리는 직선화 수준이 아닌 소규모의 선형 개량으로는 전체적인 속력 증대 자체가 어려우며, 기존에 건설되었던 본래 선형과 크게 차이도 나지 않는 수준이다. 그렇다고 앞뒤 안가리고 선로를 쭉 펴 버리는 직선화 공사를 하자니 그놈의 돈이 무지막지하게 깨져나가 경제성 측면에서 영 좋지 않은 상황인 것. 이러한 이유로 열차 자체에 추가적인 캔트를 더 줄 수 있는 틸팅열차를 도입하여 특별한 선로 개량 없이 적절한 상황에서 선형 개량 대비 상당히 선로의 효율을 높일 수 있는 방법이라 할 수 있다.

고려해야 하는 측면

물론 틸팅열차의 도입이 장점만 있는 것은 아니다. 틸팅열차를 도입할 경우에는 적어도 다음 사항들도 함께 고려해야 한다.

• 증속효과가 확실하게 나타날 것. 특히 도입시 다른 경쟁수단 대비 우위를 점할 수 있는지 여부가 중요.
• 궤도와 신호, 동력시스템에 대한 개량이 추가적으로 수반될 수 있다.
• 당연한 얘기지만 경제성도 따져야 한다. 투입 대비 효과가 없을 경우 도입을 안하는게 나을 수도 있다.
• 운전에 들어가는 비용이 다른 운송수단과 비교했을 때 경쟁력이 있어야 한다.

틸팅열차의 개발과 도입

유럽에서는 이미 1970년대 이탈리아의 ETR이나 스페인의 Talgo, 영국의 APT등으로 기술개발을 시작하였다. 1980년대에는 일본에서도 틸팅 실험을 한 것. 대한민국의 경우 1990년대 후반 TTX를 개발하면서 틸팅열차 기술을 일단 확보는 한 상태이다.

상업운전의 경우 먼저 연구를 하였던 이탈리아와 스페인, 그리고 캐나다에서 시작되었다. 1990년대에는 스웨덴 철도에서 X2000이 상업운전을 시작하였고, 1992년 독일에서는 VT610으로 상업운전을 시작하였다. 이어 1995년에 핀란드에서 상업운전을 시행하였으며, 1996년 독일과 스위스를 연결하는 신선에서 상업운전을 시행하였다.

틸팅기술

틸팅방식

틸팅방식에는 다음의 두 가지 기술적인 방식이 있다.

수동틸팅

차량의 회전점이 차량의 무게중심보다 위쪽에 남아있도록 하는 방법으로 곡선 통과시 수동적인 방법으로 차량의 기울기 상태가 증가한다. 이 기술이 적용된 대표적인 열차는 스페인의 Talgo로, 차체와 차축 사이의 틸팅각은 약 3~5º정도가 된다.

자동틸팅

수동보다 좀 더 큰 틸팅각인 8º정도의 각을 달성할 수 있으며, 원심가속도의 함수로 차량의 기울기가 자동적으로 기울어진다. 이 방식은 본 곡선에 들어서기 전 열차가 완화곡선에 들어설 때 발생하는 횡방향의 가속도를 우선 탐지하며, 차체 축을 도는 차체 회전의 시작점을 열차 앞부분의 전자장치가 감지하여 횡방향의 가속도를 분석, 자동적으로 열차를 기울이게 되는 것. 이탈리아의 Pendolino와 ETR, 스웨덴의 X2000, 독일의 VT610이 이 방식을 사용한다. 참고로 주행시 곡선을 탐지하는 기술은 다음의 두 가지가 개발되어 있다.

• 차상의 곡선탐지-데이터 전달 시스템 : 차량 내에 설치된 가속도를 탐지하는 방법으로 차체에 자이로스코프를 장착하여 이것이 기울어지는 정도를 계산하여 차체의 틸팅을 실시하는 시점을 결정한다. 주로 유럽쪽에 적용된 방식
• 전자석 곡선탐지 시스템 : 아예 곡선선로의 일정 지점에 틸팅을 시작하게 신호를 주는 전자석을 가져다 놓고 해당 지점을 지나면 틸팅이 이루어지는 방식이다. 상당히 정확한 시점에 틸팅이 이루어지지만 선로 내에 별도의 탐지 장비를 가져다 두어야 한다는 단점이 있다. 영국의 APT와 일본측의 기술이 이쪽 방식을 사용한다.

기술적 특성

• 최대속력 : 모든 전기틸팅열차는 200~250km/h의 범위까지 사용이 가능한 사실상의 고속철도이다. 디젤방식의 경우에는 160km/h정고의 최대속력을 가진다.
• 곡선반경과 속력간의 관계 : 통과속력을 V라고 하고, 곡선반경을 R이라고 하였을 때 일반적인 철도 차량의 곡선통과 최고속력은 다음과 같은 공식으로 주어진다. [math]\displaystyle{ V (km/m) = 5.0×\sqrt(R)m }[/math] 틸팅열차의 경우는 루트 앞의 값이 좀 더 증가된 갚으로 표현이 가능하다. 즉 다음과 같아지는 것. [math]\displaystyle{ V (km/m) = 6.0×\sqrt(R)m }[/math] 이런 이유로 동일 곡선 내에서 틸팅열차를 적용할 경우 최대 20%의 증속효과를 가져온다고 할 수 있다.