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Énergie

[Tribune] Roulements d’éoliennes offshore : un défi de taille

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[Tribune] Roulements d’éoliennes offshore : un défi de taille
Par Philipp Schmid, expert pour le groupe suédois de roulement mécanique, SKF, le 18 juin 2018
Cette semaine, Philipp Schmid, expert SKF, explique comment l’industrie travaille à augmenter la puissance des éoliennes et à améliorer la durée de service et la fiabilité des trains de transmission et des roulements.

Chaque année depuis 2012, des éoliennes offshore sont mises en ligne dans les eaux européennes, produisant désormais un total de 1 GigaWatt (GW). En dépit des contraintes liées à la construction des éoliennes offshore, on prévoit une augmentation de la capacité installée, car les sites adaptés sur terre ferme se raréfient et le vent en mer est plus régulier. Cela profite davantage aux exploitants grâce à une production énergétique plus élevée.

Selon WindEUROPE, en 2016, la production énergétique moyenne par
éolienne offshore installée était de 4,8 MW. Les éoliennes d’une capacité de 9 MW ou plus sont désormais en phase de lancement. Réaliser la maintenance offshore est difficile, potentiellement dangereuse et très coûteuse. Les exploitants souhaitent donc réduire la fréquence des visites de maintenance, ce qui impose des demandes considérables sur les roulements de rotor : ils doivent continuer de fonctionner de manière fiable dans ces conditions sévères pendant de longues périodes.

Il existe quatre types de concepts de roulements courants pour les arbres
de rotor d’éolienne. Le premier est un concept de suspension à deux points avec un rouleau toroïdal sur le côté rotor et un roulement à rotule sur rouleaux sur le côté générateur, pour les éoliennes de 6 MW. Pour les classes de performance plus élevées, l’usage actuel est d'utiliser le montage de roulement « rigide », muni d'un palier fixe et non-fixe, combinant un roulement à rouleaux cylindriques et un roulement à rouleaux coniques à deux rangées. Il est aussi possible d'utiliser un roulement sur mesure qui combine les deux en un roulement, comme le Nautilus de SKF, ou des ensembles comprenant deux roulements à rouleaux coniques ajustés. Dans tous les cas, la conception, les matériaux de construction et les géométries mécaniques de ces roulements auront un impact considérable sur leur capacité à fonctionner de manière fiable entre les intervalles de maintenance. Les cages peuvent être centrées sur la bague intérieure, ce qui produit moins d’usure et prolonge ainsi la durée de service du roulement – un enjeu crucial dans le cas des éoliennes.

Récemment, des avancées technologiques ont aussi été faites dans le domaine des roulements de boîte de vitesses, désormais exploités dans des éoliennes offshore nouvelle génération. Le brunissage de la piste par
exemple est un processus de traitement chimique de la surface qui produit une couche sombre sur la surface de l’acier des roulements. Ce traitement apporte de nombreux avantages : réduction des risques de défaillances prématurées causées par les fissures de phase blanche (« White Edging cracks ») ou par une mauvaise lubrification, résistance accrue aux composants agressifs de certains lubrifiants et à la corrosion, réduction de la perméation d’hydrogène, réduction des frottements et réduction du risque de dégâts de saccades.

Les éoliennes offshore doivent aussi pouvoir supporter les potentiels effets néfastes des courants électriques élevés. Afin d’empêcher le passage de courants de fuite, qui endommagent les pistes et compromettent les propriétés du lubrifiant, les éléments roulants des roulements de génératrice sont construits à partir de matériaux céramiques à la fois isolants, permettant une plus grande vitesse - plus élevée qu’avec les roulements à billes en acier équivalents. Outre les éléments roulants non- conducteurs, les roulements sont également disponibles avec des bagues à revêtement en céramique, qui fournissent une isolation supplémentaire.

Jusqu’à présent, nous avons examiné les roulements servant le rotor principal et la génératrice de l’éolienne. La capacité de la nacelle de turbine à s’aligner selon la direction du vent est aussi importante que celle des pales à « s’effacer » en réponse à la vitesse du vent. Ces fonctions sont prises en charge par les roulements d’orientation, qui sont aussi devenus plus grands pour accompagner l’augmentation de la capacité de puissance des éoliennes. Les roulements à quatre points de contact sont normalement déployés dans les mécanismes d’effacement de pale, alors que les roulements de la tour sont généralement des roulements à quatre points de contact à une rangée. Ces roulements sont galvanisés pour éviter la corrosion et disposent de joints spéciaux pour fonctionner en conditions climatiques extrêmes de l’environnement offshore.

Un banc d’essai pour le futur

Étant donné que la production des éoliennes offshore à multi-mégawatts devrait atteindre la limite actuelle de 10 MW dans un futur proche, les roulements décrits ci-dessus seront soumis à des forces encore plus importantes. Pour se préparer à cela, SKF a construit une installation d’essai à Schweinfurt, qui peut soumettre les roulements d’un diamètre extérieur allant jusqu’à 6 m, à des forces qu'ils rencontreront probablement dans l’environnement offshore. Ce banc d'essai peut tester les roulements principaux individuels et les ensembles de roulements complets, pour permettre aux futures générations de roulements de dimensions supérieures d’être conçus plus rapidement, puis testés dans des conditions plus réalistes que jamais auparavant.
Philipp Schmid, expert pour le groupe suédois de roulement mécanique, SKF
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