Francis涡轮机是挪威水电站中最常用的水轮机，并且已经使用多年。世界上大约一半的弗朗西斯涡轮机都在挪威的工厂中发现。
但是在过去几年中，越来越多的这些涡轮机已经破碎。这个问题在高压涡轮机中特别明显，高压涡轮机的高度为200-300米。
挪威科技大学能源与过程工程系的Ole Gunnar Dahlhaug教授说：“过去几年，挪威至少有五座主要的水电站出现了涡轮机问题，其中包括Svartisen。” “Svartisen不得不停止生产六个月，电力公司损失了巨额资金。”
“我们认为我们知道是什么导致了这个问题，但是我们无法进行能够让我们更好地理解它的计算”，Dahlhaug说。“它与共振有关，也与水的压力和涡轮叶片中的钢之间的相互作用有关。”
简单解释：不断变化的水流，例如在生产开始和停止时产生的水流，将导致钢制涡轮叶片上的振荡压力。如果该振荡的频率接近材料的基频，则会引起可以削弱钢的共振。当歌剧演唱者击中正确音符时，它基本上与apocryphyl水晶玻璃相同。
Dahlhaug曾担任挪威水电中心(NKVS)的负责人，该中心是多所大学，研究机构，水电行业和挪威政府之间的合作项目。
新的权力制度
水电生产可以在短时间内开启和关闭，因此可以根据市场价格和电力需求的变化进行调整。这种灵活性意味着它与更新的可持续能源(如风能和太阳能)相结合是一个很好的选择。挪威的水电站可以作为一种绿色电池，在阴天或静止的日子里提供足够的电力。
但事实证明，弗朗西斯涡轮机无法处理这种灵活的运行时间表。
由于20世纪90年代实施的新的电力生产制度，这个问题似乎已经开始。电力生产不再受电网系统运行控制，而是受电力市场控制。个别电力公司可以选择何时运行涡轮机，主要是通过改变电力市场的价格和需求来决定。
“安装在20世纪60年代和70年代的涡轮机设计为或多或少地一直运行，压力恒定。现在它们可以每天启动和停止多达十次。涡轮机无法处理它。在某些情况下，叶片中的实际钢材已经破裂，“Dahlhaug说。
较新的涡轮机也存在问题 - 仅在十天之后，Driva中的涡轮机就失效了。一台新的涡轮机也在Svartisen发电厂失败了。
为了解决这个问题，研究人员，电力公司和涡轮机制造商都聚集在一起进行合作。竞争企业正在分享和比较几个不同研究项目中的数据，所有这些都致力于实现同一目标。
“这是我第一次知道整个行业作为一个真正基础研究的团队聚集在一起，”Dahlhaug说。“但这是一个技术问题，每个人都有共同点。知识不是我们想要竞争的东西 - 这不是任何人都想错过的东西。”
最重要的工作是制作一个模拟工具，以查看在不同条件下涡轮机内部发生的情况。或者简单地找到一种方法来计算涡轮机在不同应变量下可以处理的情况。
像水晶玻璃破碎
“我们认为我们知道问题的原因，但我们无法计算它，”Dahlhaug说。
它与共振以及自来水的压力和涡轮叶片中的钢之间的相互作用有关。简单解释：不断变化的水流，例如在生产开始和停止时产生的水流，将对钢制涡轮叶片施加振荡压力。如果该振荡的频率接近材料的基频，则会引起可以削弱钢的共振。当歌剧演唱者击中正确音符时，它与水晶玻璃基本相同。
不幸的是，找到钢的基本频率并不像你想象的那么简单。水浸入和旋转等因素可能会导致其发生变化。
“这里有很多我们无法控制的变量，而且我们还无法计算。运行模拟变化如此之大的条件需要大量的计算能力，”Dahlhaug解释道。
很难计算
Statkraft拥有许多高压混流式水轮机。Statkraft机械技术部门经理Kjell-ToreFjærvold表示，1978年Leirdølakraftverk发生了对涡轮机造成重大损坏的第一次发生。
“从那时起，Statkraft以及挪威和欧洲的其他电力公司也出现了类似的事故，类似的涡轮机。我们最近也遇到了几台高压混流式水轮机的问题。供应商无法计算涡轮机构造过程中水流变化引起的应变和应力的适当数量。这意味着我们作为客户无法确定我们购买的部件在使用时是否会出现问题，“Fjærvold解释道。
需要基础研究
Francis 99项目于去年启动。不同的组都是基于共同参考模型比较计算方法和数据。第一个项目峰会于去年举行，来自16所大学的代表以及该领域所有主要的涡轮机供应商。
该项目很快将由High Head Francis跟进，这是一项为期四年的新研究项目。它由Statkraft通过NVKS发起，但将由NTNU运营。Dahlhaug解释说，这也是与电力公司和涡轮机供应商的合作。
“通常，企业对更实际的研究感兴趣。但在这种情况下，该行业正在参与基础研究.Statkraft的代表每年工作200-300小时，其他企业正在为技术研究人员做出贡献，”他说。
第三步是欧盟项目，该项目将于明年启动，假设其资金来源。
“水电在提供能源以及其他可持续能源方面发挥着关键作用。但首先，我们需要了解正在发生的事情，并能够计算安全，弹性涡轮机的要求，”Dahlhaug总结道。
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