So reduzieren Sie den Verschleiß von Kohlebürsten in Windkraftanlagen

Übermäßiger Verschleiß der Kohlebürsten in einem Windkraftanlagen-Generator ist eine der häufigsten Ursachen für ungeplante Wartungseinsätze, insbesondere bei Onshore-Anlagen in den USA.

Übermäßiger Kohlebürstenverschleiß in einem Windgenerator ist eine der häufigsten Ursachen für ungeplante Wartungseinsätze in der US-amerikanischen Onshore-Windflotte. Im Gegensatz zu einem katastrophalen mechanischen Ausfall entwickelt sich Bürstenverschleiß schrittweise. Er zeigt Warnsignale, bevor er zu einem Problem wird, doch ohne einen strukturierten Inspektionsansatz werden diese Anzeichen leicht übersehen. Dieser Artikel behandelt die Ursachen für beschleunigten Bürstenverschleiß, eine Fehlersuchmatrix für die häufigsten Schadensbilder sowie Korrekturmaßnahmen, deren Wirksamkeit sich in der Praxis bewährt hat.

Der Inhalt basiert auf der Windtracker-Felddatenbank von Mersen sowie auf jahrzehntelanger tribologischer Erfahrung im Bereich Kohlebürsten für Windgeneratoren. Alle hier beschriebenen Korrekturmaßnahmen können, sofern nicht anders angegeben, in Nabenhöhe und ohne Spezialausrüstung durchgeführt werden.

Der Verschleiß von Kohlebürsten in einem Industriemotor ist beherrschbar: Die Maschine ist gut zugänglich, die Umgebungsbedingungen sind stabil und ein Bürstenwechsel dauert nur wenige Minuten. Bei einem Windgenerator verhält es sich genau umgekehrt.

Die Gondel arbeitet über einen Temperaturbereich, der zwischen Winter und Sommer 60 Grad oder mehr betragen kann. Die Luftfeuchtigkeit schwankt kontinuierlich. Der Antriebsstrang überträgt Vibrationen auf den Generatorrahmen, die bei stationären Maschinen nicht auftreten. Hinzu kommen die periodischen Drehzahländerungen einer drehzahlvariablen Windenergieanlage. Dadurch verändert sich die Umfangsgeschwindigkeit des Schleifrings und damit auch die tribologischen Bedingungen an der Bürsten-Schleifring-Kontaktstelle ständig während des Betriebs.

Die praktische Folge: Eine Kohlebürstenqualität, die auf einer stabilen Industriemaschine zufriedenstellend funktioniert, kann in einem Windgenerator zwei- bis dreimal schneller verschleißen. Nicht, weil die Qualität grundsätzlich ungeeignet wäre, sondern weil sie nicht für die spezifische Kombination aus variabler Drehzahl, Vibrationen und Temperaturwechseln entwickelt wurde, die für Windenergieanlagen typisch ist. Aus diesem Grund existieren windspezifische Qualitäten wie CG677, CG626 oder MC837 als eigenständige Produktkategorie und nicht lediglich als Teil des Standard-Industriesortiments.

1. Falsche Bürstenqualität

Die häufigste Ursache für vorzeitigen Verschleiß ist eine Diskrepanz zwischen Bürstenqualität und Betriebsbedingungen. Eine Qualität, die für das Schleifringmaterial zu hart ist, bildet keinen schützenden Patinafilm, der Reibung und Verschleiß reduziert. Eine zu weiche Qualität verschleißt bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten schnell.

Auch das Schleifringmaterial spielt eine wichtige Rolle. Für Bronze optimierte Qualitäten verhalten sich auf Edelstahl anders und umgekehrt. Wenn der Verschleiß unmittelbar nach einem Bürstenwechsel begonnen hat und eine andere Qualität verwendet wurde, sollte zuerst eine mögliche Fehlanpassung der Bürstenqualität überprüft werden.

2. Falscher Federdruck

Der Federdruck an der Bürsten-Schleifring-Kontaktstelle muss innerhalb des für die jeweilige Qualität vorgesehenen Bereichs liegen. Dieser wird in der Regel in N/cm² Kontaktfläche angegeben. Ein zu geringer Druck führt zu intermittierendem Kontakt und Lichtbogenbildung. Dadurch wird die Schleifringoberfläche beschädigt und der Verschleiß beschleunigt. Ein zu hoher Druck erhöht die Reibung, steigert die Temperatur und kann mechanische Risse in der Bürste verursachen.

Der Federdruck verändert sich zudem mit zunehmendem Bürstenverschleiß. Bürstenhalter mit Konstantkraft-Federsystemen halten den Druck über den gesamten Verschleißbereich hinweg konstant. Einfache Schrauben- oder Spiralfedersysteme hingegen verlieren Druck, wenn die Bürste kürzer wird.

3. Zustand der Schleifringoberfläche

Die Schleifringoberfläche bildet die zweite Hälfte des tribologischen Kontaktpaares.

Eine zu glatte Oberfläche ermöglicht nicht die Bildung des Patinafilms, der den Kontakt schmiert. Eine zu raue Oberfläche (Ra über etwa 1,6 Mikrometer) verursacht unabhängig von der verwendeten Bürstenqualität abrasiven Verschleiß.

Oxidation, harte Stellen, Riefen infolge früherer Bürstenschäden sowie Kohlenstoffablagerungen aufgrund unzureichender Belüftung verschlechtern den Oberflächenzustand und erhöhen den Verschleiß.

Auch das Material des Windgenerator-Schleifrings ist entscheidend. Edelstahlschleifringe weisen einen höheren elektrischen Widerstand und eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als Bronze. Dadurch entstehen bei gleicher Strombelastung höhere Kontakttemperaturen, was direkt zur Verschleißrate beiträgt.

4. Vibrationen

Vibrationen des Antriebsstrangs führen dazu, dass die Bürste mit ihrer Eigenfrequenz auf der Schleifringoberfläche springt.

Jeder dieser Sprünge stellt eine Mikro-Unterbrechung des elektrischen Kontakts dar und erzeugt einen Mikrolichtbogen, der sowohl die Bürstenoberfläche als auch die Schleifringoberfläche schrittweise beschädigt.

Wenn die Geometrie des Bürstenhalters seitliche Bewegungen zulässt, verursachen Vibrationen zudem Seitenverschleiß und Bürstenrisse.

Vibrationsbedingter Verschleiß ist an einer narbigen oder kraterförmigen Bürstenoberfläche erkennbar und unterscheidet sich deutlich von der glatten, leicht konvexen Oberfläche eines normalen Verschleißbildes.

5. Verschmutzung und Feuchtigkeit

Kondensation innerhalb des Schleifringschranks während Kaltstarts hinterlässt Feuchtigkeit auf der Schleifringoberfläche. Dadurch wird der Patinafilm gestört und ein intermittierender Kontakt mit hohem Übergangswiderstand verursacht.

Öldämpfe aus dem Getriebe, die in die Gondel gelangen, was insbesondere bei älteren Plattformen häufig vorkommt, kontaminieren die Schleifringoberfläche und verändern die Bedingungen für die Bildung des Kontaktfilms.

Kohlenstaub, der sich infolge des normalen Bürstenverschleißes ansammelt und nicht durch eine ausreichende Belüftung entfernt wird, kann unter feuchten Bedingungen elektrisch leitfähig werden. Dies erhöht Leckströme und beschleunigt die Oberflächenschädigung.

Sobald ein Verschleißproblem festgestellt wurde und der Zustand des Schleifrings sowie der Bürstenhalter als zufriedenstellend bewertet wurden, liegt die Ursache häufig in einer ungeeigneten Bürstenqualität.

Die Auswahl von Kohlebürsten für Windgeneratoranwendungen basiert auf einigen wenigen entscheidenden Kriterien:

• Schleifringmaterial: Bronzeringe (SR 13-15 und vergleichbare Ausführungen) erfordern andere Bürstenqualitäten als Edelstahlschleifringe. Der Einsatz einer für Edelstahl optimierten Qualität auf Bronze oder umgekehrt führt zu einer von der Spezifikation abweichenden Verschleißrate.
• Umfangsgeschwindigkeit: Anhand des Schleifringdurchmessers und der Nenndrehzahl des Generators wird die Umfangsgeschwindigkeit in m/s berechnet. Jede Bürstenqualität besitzt eine zulässige maximale Umfangsgeschwindigkeit. Wird diese überschritten, verkürzt sich die Lebensdauer der Bürste vorhersehbar.
• Stromdichte: Die Stromdichte des Rotorerregerstroms bezogen auf die Kontaktfläche der Bürste bestimmt die thermische Belastung der Bürste. Höhere Stromdichten erfordern Qualitäten mit besserer elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeableitung.
• Betriebsumgebung: Standorte in kalten Klimazonen mit häufiger Kondensatbildung benötigen Qualitäten mit höherer Feuchtigkeitsbeständigkeit. Heiße Standorte erfordern Qualitäten mit höherer thermischer Stabilität.

Für die GE-Hitachi 1.X-Plattform mit dem Bronze-Schleifring SR 13-15 lautet die im Feldeinsatz validierte Empfehlung CG677 für Phasenkontakte und HCH-4X1 für Erdungskontakte. Für Standorte, an denen weiterhin Edelstahlschleifringe eingesetzt werden, ist CG677 ebenfalls kompatibel. Bei anderen Plattformen bildet das Datenblatt des Generatorherstellers den Ausgangspunkt. Das technische Team von Mersen kann auf Basis der Maschinendaten die geeignete Bürstenqualität empfehlen.

Beschleunigter Bürstenverschleiß kann manchmal ein Symptom eines tieferliegenden Problems innerhalb der Schleifringbaugruppe sein und nicht auf ein Problem der Bürste oder des Bürstenhalters zurückzuführen sein. 

Die folgenden Zustände des Schleifrings führen unabhängig von der eingesetzten Bürstenqualität zu dauerhaft übermäßigem Verschleiß:

• Oberflächenhärte außerhalb der Spezifikation: Ein Schleifring, der bei einem früheren Fehlerereignis überhitzt wurde, kann eine veränderte Oberflächenmetallurgie aufweisen, die bei jeder Bürstenqualität abrasiven Verschleiß verursacht.
• Rundlaufabweichung über der Toleranz: Ein Schleifring mit erhöhtem Rundlauf infolge von Lagerschäden oder fehlerhafter Montage verursacht ein Springen der Bürste mit der Rotationsfrequenz und erzeugt vibrationsbedingte Verschleißmuster.
• Chemische Verunreinigung der Oberfläche: Öl, Fett oder andere chemische Verunreinigungen verändern die Bedingungen für die Bildung des Kontaktfilms und können Verschleißmuster verursachen, die einer falschen Bürstenqualität ähneln.
• Verschlechterung der Isolierung: Rissige oder delaminierte Schleifringisolierungen können Leckströme und ein unregelmäßiges Kontaktverhalten verursachen, die wie Verschleißerscheinungen wirken, tatsächlich jedoch durch Lichtbögen verursacht werden.

Bleibt der Verschleiß bestehen, nachdem der Bürstendruck korrigiert, Bürsten durch die richtige Qualität ersetzt und die Schleifringoberfläche gereinigt wurde, sollte als nächster Schritt eine vollständige Bewertung des Schleifrings durchgeführt werden. Die Windtracker-Serviceteams von Mersen verfügen über die erforderlichen Messgeräte, um Schleifringe in Nabenhöhe zu bewerten, einschließlich Messungen der Oberflächenrauheit, des Rundlaufs und der Isolationswerte. Zudem können sie Empfehlungen zur Nachbearbeitung oder zum Austausch des Schleifrings geben.