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Énergie

[Tribune] Industrie éolienne : optimiser les mécanismes pour allonger la durée de vie des éoliennes et gagner en performance

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[Tribune] Industrie éolienne : optimiser les mécanismes pour allonger la durée de vie des éoliennes et gagner en performance
Par Tony Fierro, ingénieur d'applications The Timken Company, le 14 mai 2018
Cette semaine, Tony Fierro, ingénieur d’applications pour la société The Timken Company, spécialisée dans les mécanismes de puissance, développe son point de vue technique sur la durée de vie des éoliennes. Selon lui, "des solutions de roulements peuvent être apportées afin de répondre aux demandes de l’industrie pour un fonctionnement optimal et diminuer les dépenses d’exploitation et de maintenance au cours du cycle de vie de la turbine".

Avec la croissance de l’industrie éolienne et l’introduction de turbines de plus de 1 MW, l’augmentation des efforts affecte la durée de vie des roulements de l’arbre principal et des réducteurs. Des défaillances se produisent plus tôt que prévu et, pour de nombreux exploitants de parcs éoliens, les coûts de réparations s’accumulent. Des solutions de roulements peuvent être apportées afin de répondre aux demandes de l’industrie pour un fonctionnement optimal et diminuer les dépenses d’exploitation et de maintenance au cours du cycle de vie de la turbine.

Des réparations coûteuses pour les exploitants

Un des premiers constats dans ce marché est la nécessité de mettre en place une reconstruction de la turbine tous les 7 ans, impliquant une charge financière importante supplémentaire pour les exploitants de parcs éoliens. En effet, on part du principe que la durée de vie moyenne d’une turbine est de 30 ans et qu’en conséquence l’arbre principal et le réducteur exigeront quatre reconstructions pendant le cycle de vie de l’éolienne.

Une réparation de l’arbre principal et du réducteur coûtant près de 245.000 euros (Frais de grue inclus), le coût total peut alors s’élever jusqu’à 1 million d’euros sur le cycle de vie de la turbine. La mise en place d’une solution plus performante peut permettre aux opérateurs de diviser ce chiffre par deux, soit une économie de 500.000 euros par éolienne. Ainsi, pour un parc typique exploitant 100 éoliennes, on estimera des économies d’exploitation et de maintenance approchant les 50 millions d’euros sur 30 ans.

Roulements à rouleaux sphériques standards : des problèmes de conception

Les turbines modulaires sont conçues généralement avec des roulements à rouleaux sphériques à deux rangées afin de soutenir et porter les charges de l’arbre principal. Les roulements à rouleaux sphériques dominent le marché des turbines modulaires, proposant deux configurations différentes : à trois ou quatre points de montage.

Dans la conception à trois points, l’arbre principal est soutenu par le bras de suspension du réducteur et un unique palier à roulement à rouleaux sphériques situé à l’avant. Ce montage permet un châssis de nacelle plus court, une réduction de la masse de la turbine, mais en contrepartie une déflexion et un défaut d’alignement élevés du système.

Si cette conception présente des avantages financiers avec des coûts de conception inférieurs, elle présente aussi des faiblesses au niveau du fonctionnement. Le roulement doit non seulement supporter une réaction radiale, mais aussi des charges axiales sur la rangée de rouleaux exposée au vent. D’autre part, en raison de l’augmentation du jeu interne causé par l’usure du roulement, la déflexion axiale et les charges sont transférées sur les roulements des planétaires du réducteur. Cette charge supplémentaire peut nuire à l’engrènement correct des satellites et affecter les charges sur les roulements.

Dans une conception à quatre points, l’arbre principal est soutenu par le bras de suspension du réducteur et deux paliers à roulements placés à l’avant. Ces paliers à roulements sont souvent équipés de roulements à rouleaux sphériques, mais d’autres types, notamment des roulements à rouleaux cylindriques et coniques, sont également utilisés. Ce montage permet d’obtenir un châssis de nacelle plus long, entrainant une augmentation de la masse de la turbine, une rigidité plus élevée du système et une réduction de la déflexion et du défaut d’alignement du système d’entraînement.

Les performances des roulements d’arbre principal sont généralement supérieures dans les turbines de conception à quatre points par rapport à celles à trois points, mais certains modèles connaissent tout de même des problèmes, en particulier lorsqu’un roulement à rouleaux sphériques est utilisé en position arrière.

Des défaillances courantes

L’usage d’un seul roulement à rouleaux sphériques sur l’arbre principal de turbines de classe MW a longtemps été le concept privilégié par les opérateurs, cependant des dommages prématurés étaient constatés à cause du micro-pitting caractérisé par une usure au niveau de la surface. Bien qu’il n’existe aucune limite maximale officielle, des ingénieurs ont estimé acceptable, pour un roulement à rouleaux sphériques à deux rangées, un rapport de 25 % entre la charge axiale et la charge radiale. Dans la plupart des turbines, les charges axiales réelles sont élevées et créent des inquiétudes (répartition anormale des charges entre les rangées, inclinaison des rouleaux, contraintes sur les cages, chaleur excessive ou encore grippage des rouleaux). Seule la rangée de rouleaux coté générateur (DW) supporte les charges radiale et axiale, tandis que la rangée coté moyeu (UW), complètement déchargée, crée des conditions de fonctionnement peu optimales.

Une lubrification inadéquate peut également être source de défaillance. Les conditions de fonctionnement du roulement de l’arbre principal ne permettent pas la production d’un film de lubrifiant suffisant. Avec une vitesse maximale de fonctionnement d’environ 20 tr/min, la production de film de lubrifiant est souvent insuffisante pour conserver la séparation entre les aspérités du chemin de roulement. En outre, les changements de pas des pales et d’orientation modifient constamment l’emplacement et l’orientation de la zone de charge, quasiment instantanément, interrompant la formation du film lubrifiant. Cette situation est souvent accélérée avec un roulement à rouleaux sphériques dans une turbine de conception à trois points. Comme les roulements à rouleaux sphériques fonctionnent avec un jeu radial, le risque de micro-pitting ou de grippage est alors augmenté.

Optimiser la durée de vie des éoliennes existantes avec des roulements mis à niveau

Pour un échange direct dans les parcs d’éoliennes existants, Il est fortement recommandé d’installer un roulement à rouleaux sphériques résistant à l’usure. Utilisant une technologie de surface réalisée en combinaison avec des finitions de surface améliorées, ces roulements protègent les chemins de roulements contre le micro-pitting en réduisant considérablement les contraintes de cisaillement et les interactions entre les aspérités. Leur revêtement deux à trois fois plus dur que l’acier et d’une épaisseur d’un à deux micromètres engendrent de faibles coefficients de frottement lors du glissement entre les surfaces en l’acier. En effet, avec une surface à topographie améliorée, le revêtement des rouleaux est conçu pour polir et réparer les chemins de roulement endommagés pendant le fonctionnement par des débris. D’autre part, une finition de surface améliorée permet d’épaissir le film de lubrification, ce qui signifie une séparation plus efficace des aspérités. En combinant ces améliorations, les exploitants peuvent ainsi réduire les contraintes de cisaillement responsable de l’usure.

Un roulement à rouleaux coniques préchargé, caractérisé par une bague intérieure double en une seule pièce et deux bagues extérieures simples, peut être utilisé à des positions fixes sur des arbres en rotation en remplacement direct des roulements à rouleaux sphériques des arbres principaux, installés à l’origine. La conception de ces roulements permet aux deux rangées de rouleaux de partager les charges radiales et axiales de manière uniforme, et en conséquence, de réduire les charges transmises vers le réducteur planétaire. Les roulements à rouleaux coniques ont démontré, lors de tests, une réduction de l’usure, une charge réduite dans le réducteur planétaire et une augmentation de la rigidité du système. Ce type de roulement atténue le grippage des rouleaux et assure la répartition de la charge sur les deux rangées, tout en tolérant un plus grand défaut d’alignement du système par rapport à un roulement à bague extérieure double.

Alors que les roulements s’acquittent de leur fonction essentielle à l’intérieur des turbines, les contraintes dynamiques entraînent des réparations inopportunes et coûteuses. Pour aider l’industrie éolienne à aller de l’avant, la fiabilité des roulements des arbres principaux doit être améliorée. La demande du marché stimule le développement de nouvelles solutions innovantes permettant de gagner en performance et d’éviter les dysfonctionnements techniques qui peuvent nuire au bon fonctionnement du moteur d’une éolienne.
Tony Fierro, ingénieur d'applications The Timken Company
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