Schleifringesätze für Windgeneratoren

Betreiber von Windturbinen, die GE-Plattformen mit 1,5 MW, 1,6 MW, 1,7 MW und 1,85 MW einsetzen, kennen die Herausforderung genau: höhere Lasten, gesteigerte Betriebsbedingungen und Jahre kontinuierlicher Abnutzung im Feldeinsatz bringen das ursprüngliche Schleifringsystem an seine Grenzen. 

Mit zunehmendem Alter der Turbinen und steigenden Leistungszielen wird die ursprüngliche Edelstahl-Schleifringkonstruktion, bei niedrigeren Lasten ausreichend, eher zur Belastung als zum Vorteil. Das Windturbinen-Lösungen Team von Mersen hat eine direkte Antwort entwickelt: die SR 13-15 Bronze-Schleifringbaugruppe, die darauf ausgelegt ist, ältere Edelstahlkonstruktionen bei jeder messbaren Kennzahl zu übertreffen, von der Betriebstemperatur bis zur Bürstenlebensdauer.

Das Argument für Bronze: warum Edelstahl oberhalb von 1,5 MW an seine Grenzen stößt

Edelstahl-Schleifringe zeigen in Windkraftanwendungen ein gut dokumentiertes Ausfallmuster: Bei Lasten über 1,5 MW, insbesondere unter extremen Umgebungstemperaturen oder gesteigertem Betrieb, erzeugen sie übermäßige Wärme, beschleunigen den Bürstenverschleiß und tragen zu NDE (Non-Drive End) Lagertemperaturfehlern bei. Das Problem verschärft sich, je mehr Turbinen auf höhere Leistungsziele getrimmt werden.

Bronze verhält sich grundlegend anders. Die Legierung ist schonender zu Kohlebürstenkontakten, verteilt Wärme über eine größere Oberfläche und hält eine konstante elektrische Leitfähigkeit unter variablen Lastbedingungen aufrecht – genau das, was ein moderner Windgenerator im gesteigerten Betrieb benötigt.

Mersen hat diesen Vorteil in Tausenden realen Einsätzen validiert. Der SR 13-15 Bronze-Schleifring, entwickelt in Zusammenarbeit mit OEMs für die GE-Hitachi 1.X-Plattform, liefert:

• Temperaturabfall von 30–40 % beobachtet an Schleifring, Halterungen und Bürsten unter Feldbedingungen
• Bürstenverschleißraten um 30–40 % reduziert basierend auf Feldversuchen, was die Wartungsintervalle deutlich verlängert
• Bürstenlebensdauer von über vier Jahren, verglichen mit deutlich kürzeren Zyklen bei Edelstahl-Äquivalenten
• niedrigere NDE Lagertemperaturen, wodurch das Risiko temperaturbedingter Lagerfehler reduziert wird
• robuste Erdung, die empfindliche WETA-Karten vor elektrischen Transienten schützt

Mehr als 4.000 SR 13-15 Bronze-Schleifringe sind derzeit in den Vereinigten Staaten im Einsatz, was diese Lösung zu einer der am weitesten verbreiteten Upgrade-Lösungen in der US-Windflotte macht. Allein 2017 erhielten fast 3.000 Turbinen die Kohlenstoff-Sorte CG 677 von Mersen im Rahmen dieser Umstellung, wobei alle Einheiten erfolgreich liefen.

SR 13-15 Schleifring: technische Spezifikationen und Installation

Der SR 13-15 ist ein Retrofit-Upgrade, das für die GE-Hitachi 1.X-Generatorplattform entwickelt wurde und die Varianten 1,5 MW, 1,6 MW, 1,7 MW und 1,85 MW abdeckt. Die Designphilosophie ist Plug-and-Play: Es sind keine Modifikationen am bestehenden Schleifringgehäuse erforderlich, und die Einheit wird mit zwei Schrauben pro Bürstenhalterposition installiert.

Zu den wichtigsten technischen Verbesserungen gegenüber der ursprünglichen Konstruktion gehören:

• Plug-and-Play-Passform für GE-Hitachi 1.X-Generatoren: kompatibel mit bestehenden Bürstenhaltern für Generatoren, Installation mit zwei Schrauben pro Position
• Struktur und Komponenten neu gestaltet für minimalen Widerstand, wodurch die Gesamtleitfähigkeit im Rotorkreis verbessert wird
• breitere Ringoberfläche für eine größere Kontaktfläche zur Wärmeableitung
• robuste Kabelschuhe und Stangen für sichere, widerstandsarme Rotorkabelanschlüsse
• verbesserte Schraubklemmenverbindung erhöht die Kontaktqualität mit den Rotorleitungen erheblich
• senkrechtes Drehmomentdesign eliminiert das Risiko versehentlicher innerer Beschädigungen während Installation und Betrieb
• ausgelegt, um gesteigerten Betriebsbedingungen in allen Windregimen standzuhalten, einschließlich Standorten mit kaltem Klima und hoher Luftfeuchtigkeit

Für optimale Systemleistung empfiehlt Mersen, den SR 13-15 mit speziellen Kohlebürsten für Windgeneratoren zu kombinieren: die Sorte HCH-30X für Phasenkontakte und HCH-4X1 für Erdkontakte. Diese Sorten wurden speziell für die Stromdichten und Umfangsgeschwindigkeiten der GE-Hitachi-Plattform entwickelt und ergänzen die thermischen Vorteile des Bronzerings.

Vollständiges Schleifring-Sortiment für Windgeneratoren: 850 kW bis 9 MW

Der SR 13-15 adressiert eine der am weitesten verbreiteten Plattformen in der US-Flotte, aber die Schleifring-Fertigungskompetenz von Mersen deckt das gesamte Spektrum an Windgeneratoranwendungen ab, von kleineren Gemeinschaftsturbinen bis hin zu Offshore-Anlagen im Versorgungsmaßstab.

Mersen konstruiert und fertigt Schleifringbaugruppen gemäß folgenden Spezifikationen:

• geformte oder bearbeitete Ringkonstruktion, wobei bearbeitete Ringe für Hochgeschwindigkeitsanwendungen bis 3.600 U/min verfügbar sind
• Durchmesserbereich: 170 bis 360 mm
• Spannungsbereich: 220 bis 3.000 V AC
• Isolationsklasse H/F
• 3-Phasen-Design mit integriertem Erdungsring als Standardoption verfügbar
• Materialauswahl aus Nichteisenlegierungen, Edelstahl und Kupferlegierungen je nach Anwendungsanforderungen
• glatte oder spiralförmig gerillte Ringoberflächen
• Spiralrillen verbessern die Selbstreinigung und reduzieren das Bürstenspringen bei höheren Betriebsgeschwindigkeiten
• Konformität des Fertigprodukts: dynamische Auswuchtprüfung und dielektrische Prüfung an jeder Einheit
• Qualifizierung nach internationalen Normen: ISO 9001, IEC, NEMA, ASTM, SAE, DIN

Alle Konstruktionen werden in enger Zusammenarbeit mit OEMs entwickelt und können an spezifische Generatorarchitekturen angepasst werden. Fünf Fertigungsstandorte auf drei Kontinenten unterstützen globale Lieferzeiten, und die Ingenieurteams von Mersen stehen für technischen Support vor Ort zur Verfügung. Reparatur und Aufarbeitung bestehender Ringsätze sind ebenfalls für Anlagenbetreiber verfügbar, die alternde Turbinenflotten verwalten, als wirtschaftliche Alternative zum vollständigen Austausch.