Kavitation bei Francis-Turbinen: Verschleißkosten quantifizieren und den Betriebspunkt optimieren

Bei einer Francis-Turbine entsteht Kavitation, wenn der lokale Druck so weit absinkt, dass sich Dampfblasen im Wasser bilden. Kollabieren diese Blasen später wieder in höheren Druckbereichen an Laufradaustritt, Hinterkante, Krone, Band oder Saugrohr, entstehen mikroskopische Schlagbelastungen auf der Metalloberfläche. Sichtbar werden Pitting, Rauheit, Beschichtungsverlust und später Schweiß- oder Reparaturbedarf. Wirtschaftlich bedeutet das: Der Wert des Laufrads sinkt oft lange, bevor die Instandhaltungsmaßnahme offiziell geplant ist.

Entscheidend ist die Akkumulation. Einige Stunden in einer milden Zone sind häufig beherrschbar. Viele hundert Stunden verkürzen Inspektionsintervalle, beschleunigen die Oberflächenschädigung und ziehen den nächsten Stillstand nach vorne. Kavitation ist deshalb nicht nur ein hydraulisches Phänomen. Sie verändert die echten Kosten jeder Dispatch-Entscheidung.

Der Referenzwert ist die Kavitationszahl sigma. Betreiber vergleichen die verfügbare Sigma-Marge am Standort mit der für den aktuellen Betriebspunkt benötigten Sigma. Weil sich dieses Risiko mit der Nettofallhöhe und damit mit der spezifischen hydraulischen Energie Hn ändert, ist dieselbe MW-Vorgabe nicht bei jeder Kopfbedingung gleich sicher.

Ein Francis-Hillchart sollte nicht nur als Wirkungsgraddiagramm gelesen werden. In normierten Koordinaten wie Q11 und n11 zeigt es, wie sich der Betriebspunkt bei veränderter Fallhöhe und Durchfluss über die Karte bewegt. Werden Sigma-Bänder, Kavitationsbeobachtungen und zulässige Hülle hinzugefügt, wird aus dem Hillchart eine praktische Verschleißkarte.

Nahe am BEP ist das Strömungsbild in der Regel am saubersten. Weit darunter wachsen Teillasteffekte wie Drall im Saugrohr, Vortex Rope und Druckpulsation. Weit darüber kann Überlastkavitation am Laufradaustritt auftreten. In beiden Richtungen produziert die Anlage zwar weiterhin Leistung, erkauft diese aber mit höherem mechanischem Risiko.

Dieses Risiko ist nicht nur hydraulisch. Off-BEP-Betrieb erhöht die schwankenden hydraulischen Kräfte auf Laufrad, Leitapparat und angrenzende Struktur. Dadurch steigen wechselnde von-Mises-Spannungen in kritischen Bereichen und Ermüdungszyklen werden schneller verbraucht. Eine Hillchart-Kavitationszone ist deshalb immer auch eine strukturelle Schadenszone.

Ein brauchbares Verschleißmodell beginnt bei der realen Instandhaltung. Wenn ein Laufrad unter gesunder Fahrweise erst nach 30 000 Betriebsstunden kavitationsbedingt aufgearbeitet werden muss, unter der aktuellen Dispatch-Logik aber schon nach 18 000 Stunden, ist der Mehrkostenblock konkret: Auftragsschweißung, Bearbeitung, Beschichtung, Prüfung, Mobilisierung und Produktionsausfall im Stillstand.

Diese Mehrkosten lassen sich in EUR/h umrechnen. Wenn vorgezogene Reparaturen und Stillstand in einer Saison zusätzlich EUR 240 000 kosten und die Einheit 2 400 Stunden in einer aggressiven Zone läuft, ergibt sich bereits eine Verschleißstrafkostenrate von EUR 100/h. Darin ist der Wirkungsgradverlust durch eine aufgeraute Oberfläche noch gar nicht enthalten.

Das Modell kann in grüne, gelbe, orange und rote Zonen gegliedert werden, gewichtet nach Sigma-Marge, BEP-Abstand, Schwingungen oder Inspektionshistorie. Genau an diesem Punkt wird Instandhaltungsoptimierung zur operativen Fahrweise: Die Anlage kann Markterlös direkt gegen einen realen Schadenskostenbeitrag abwägen.

Ein reiner Preisoptimierer unterstellt, dass die Maschine gleichgültig ist, wie sie die nächste Megawattstunde verdient. Eine Francis-Turbine ist nicht gleichgültig. Zwei Betriebspunkte können ähnlichen Stundenumsatz liefern und gleichzeitig sehr unterschiedliche Kavitations-, Pulsations- und Ermüdungsfolgen auslösen. Ohne Verschleißkosten jagt der Optimierer deshalb häufig den aggressivsten Punkt bei hohen Preisen.

Ein einfaches Beispiel: Eine Fahrweise in einer Preis-Spitzenstunde bringt EUR 180 Bruttomarge. Wenn derselbe Fahrbefehl EUR 120/h erwartete Kavitations- und Ermüdungskosten plus weitere EUR 40/h hydraulische Verschlechterung erzeugt, ist der Nettowert nahezu null. Über eine Saison hinweg wird so Marktwert in spätere Reparaturkosten verschoben.

Der beste Betriebspunkt kann deshalb nicht nur über Wirkungsgrad oder Spotpreis definiert werden. Er muss auch die Schadenshistorie berücksichtigen: Sigma-Marge, Zeit in aggressiven Hillchart-Zonen, strukturelle Off-BEP-Belastung und den kumulativen Verbrauch von Ermüdungszyklen.

DAMagedOpt ist auf diese kombinierte Zielgröße ausgelegt. Die Plattform sucht nicht nur nach dem Punkt mit dem höchsten momentanen Erlös, sondern nach dem technisch zulässigen Punkt mit dem höchsten Nettowert nach erwarteter Verschleißstrafe. Dazu werden Hillchart-Position, BEP-Abstand, sigma-bezogenes Kavitationsrisiko, Hn, SCADA-Signale und Standortgrenzen gemeinsam ausgewertet.

Praktisch bedeutet das: DAMagedOpt integriert ein Schadenskostenmodell direkt in den Dispatch-Optimierer. Jeder Kandidatenpunkt wird nach erwartetem Mehrerlös und nach seiner Verschleißstrafe in EUR/h bewertet. Ein Punkt mit attraktivem Preis, aber schlechter Kavitationslage, wird dadurch automatisch abgewertet oder ausgeschlossen. Diese Logik lässt sich in der Demo direkt nachvollziehen.

Dasselbe Prinzip spiegelt sich auch im Geschäftsmodell. Die Preisseite beschreibt ein uplift-basiertes Modell: Vergütet wird messbarer Wertzuwachs statt einer fixen Softwaregebühr ohne Bezug zum Kraftwerksergebnis. So entsteht eine gemeinsame Sprache für Betrieb, Instandhaltung und Handel.

Wenn eine Francis-Einheit noch mit getrennten Workflows aus Wirkungsgradkurven, Fahrerfahrung und Spotpreislogik gefahren wird, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Kavitationskosten zu niedrig angesetzt werden. Eine kostenlose Uplift-Einschätzung ist der schnellste Weg, um Stunden mit negativem Nettowert sichtbar zu machen.

Öffnen Sie die Demo, vergleichen Sie den aktuellen Punkt mit einer gesünderen Empfehlung, prüfen Sie die uplift-basierte Preislogik, und melden Sie sich bei Bedarf für eine standortspezifische Diskussion zu Sigma, BEP-Abstand, Hillchart-Zonen oder Verschleißannahmen.