Les stratégies de conception de NSK améliorent les performances des éoliennes offshore
27/07/2019
Deux facteurs clés sont indispensables pour les roulements employés dans l´éolien : des performances de haut niveau et une longue durée de vie dans des conditions difficiles. Ce constat vaut particulièrement dans l´offshore, où les capacités des éoliennes continuent d´augmenter. En conséquence, NSK a récemment démarré la fabrication de roulements pour les turbines de 9,5 MW et développe déjà des roulements pour des éoliennes offshore de la classe 12 MW.
Cependant, ce ne sont pas uniquement les performances qui imposent un haut niveau d´exigence aux roulements d´éoliennes. En mer, à cause des vents de forte intensité, les rotors et par conséquent l´axe d´entraînement dans son ensemble sont soumis à des charges statiques et dynamiques encore plus importantes. Dans les éoliennes onshore, les roulements principaux subissent des contraintes de 1 MN ; contraintes supérieures dans le cas des turbines offshore.
Augmentation de la durée de vie
La durée de vie des roulements destinés aux éoliennes fait l´objet de demandes croissantes. Pour les turbines offshore, les fabricants définissent habituellement une longévité de roulement de 175 000 heures, équivalant à 20 ans. Cependant, compte tenu des coûts d´investissement élevés et des difficultés d´accès des systèmes d´énergie éolienne offshore, une durée de vie de 25 ans est spécifiée : c´est là un défi considérable en raison des contraintes dynamiques extrêmement élevées.
Roulements principaux
Ces contraintes influent à l´évidence sur le choix des roulements. Dans les turbines éoliennes à entraînement direct, des roulements à double rangée de rouleaux coniques font de plus en plus souvent office de roulement principal. Par rapport aux roulements à rouleaux cylindriques qui étaient généralement spécifiés dans le passé, les roulements à rouleaux coniques présentent l´avantage d´une précharge réglable, se traduisant par une rigidité accrue du système. Ces roulements ont des diamètres intérieurs pouvant atteindre 2,7 m, qui mettent à l´épreuve même les réalisations et les concepts de fabrication de pointe.
Dans le cas de motoréducteurs, le poids des composants d´entraînement supplémentaires est compensé par les dimensions moindres du générateur. Différents concepts existent pour le roulement de rotor principal dans chaque classe de puissance. Les systèmes jusqu´à 5 MW font en général appel à des roulements sphériques, tandis que pour les puissances de 6 MW et au-delà, la préférence va à des configurations à deux roulements à rouleaux coniques ou à des roulements à double rangée de rouleaux coniques associés à un roulement à rouleaux cylindriques.
Roulements intégrés
Dans les transmissions à engrenages, les réducteurs à deux ou trois étages planétaires sont aujourd´hui monnaie courante. Ces étages planétaires sont souvent associés à un étage d´engrenages hélicoïdaux. Depuis plusieurs années, la tendance est à l´utilisation d´engrenages planétaires dits « intégrés ». Pour cette application, NSK a développé (en étroite collaboration avec le fabricant d´engrenages) des roulements à plusieurs rangées de rouleaux coniques et cylindriques sans bague extérieure. L´alésage des engrenages épicycloïdaux est ainsi utilisé comme chemin de roulement extérieur.
Dans certaines applications, on utilise des roulements intégrés à quatre rangées de rouleaux cylindriques. Combiné à quatre pignons planétaires par étage, un ensemble de roulements comporte au total 16 rangées. Pour obtenir une charge encore plus élevée sur la totalité des roulements, l´alésage et les diamètres circonscrits de l´ensemble ont des tolérances très serrées.
Une autre tendance consiste à fournir l´ensemble des roulements de turbine à partir d´un seul et même fournisseur. Cette tendance du marché a conduit NSK à enrichir la gamme de produits de la division Energie éolienne, même si l´entreprise développe et fabrique déjà depuis 20 ans différents types de roulements pour réducteurs et générateurs.
Recherche de fissures de phase blanche (WEC)
En raison de la dimension des roulements requis pour les turbines éoliennes offshore et de la difficulté d´accès, l´industrie éolienne est manifestement très sensible à la dégradation des roulements. L´expertise technique permet de surmonter toutes les formes habituelles de dommage aux roulements. Par exemple, grâce aux méthodes de conception avancées combinées à des niveaux élevés de pureté de l´acier, les défaillances de roulements ont quasiment disparu dans l´éolien.
Un domaine cependant dans lequel le secteur des roulements poursuit les recherches, ce sont les fissures de phase blanche (WEC). Ces fissures sont des signes de défaillance qui apparaissent très tôt dans la durée de vie des roulements. Les symptômes de dommages typiques sont constitués de structures blanches sous le chemin de roulement entraînant la formation de fissures puis finalement la défaillance du roulement.
La cause précise des WEC est longtemps demeurée inconnue. Même si une série d´essais a montré depuis que ce défaut provient plus vraisemblablement de la pénétration d´hydrogène, l´origine de l´hydrogène n´a toujours pas été complètement élucidée.
D´autres travaux de recherches suggèrent que la génération d´hydrogène survient en cours de fonctionnement. Selon l´hypothèse initiale, l´hydrogène provenait des chaînes d´hydrocarbures des lubrifiants et de leurs additifs ; une théorie corroborée à l´issue de la reproduction en laboratoire des symptômes caractéristiques de dommages avec certains types d´huiles et de graisses.
NSK a en conséquence développé un nouveau matériau offrant une meilleure résistance à la pénétration d´hydrogène et à la formation de fissures dues à la fragilisation par l´hydrogène. Alors que les tests effectués en laboratoire ont été couronnés de succès, les roulements réalisés dans ce matériau font actuellement l´objet d´essais sur le terrain.
Analyse vibratoire
Du fait des caractéristiques de sécurité intrinsèques et des exigences de longévité importante, les roulements équipant les systèmes d´énergie éolienne sont des candidats idéaux pour les systèmes d´analyse vibratoire, qui font appel à des capteurs intégrés ou montés en externe pour surveiller en permanence l´état du roulement. Les anomalies révélant l´endommagement des roulements peuvent être détectées et signalées en temps opportun.
Des systèmes d´analyse vibratoire modernes sont déployés par les parcs éoliens offshore afin de détecter les anomalies suffisamment tôt et de permettre de prévoir en conséquence le cycle de maintenance du système. NSK s´attend à un potentiel de marché important pour ce type de système.
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