18 Septembre 2019  |  Mécanique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 06/2019

Des roulements pour éoliennes de grande puissance

Les roulements des éoliennes doivent avoir des performances de haut niveau et une longue durée de vie dans des conditions difficiles. Ceci est vrai particulièrement dans le domaine offshore, où les capacités des éoliennes continuent d’augmenter. Dans ce contexte, la société NSK a démarré la fabrication de roulements pour les turbines de 9,5 MW et développe déjà des roulements pour des éoliennes de la classe 12 MW.

Ce ne sont pas uniquement les performances qui imposent des exigences de haut niveau aux roulements des éoliennes. En mer, à cause des vents de forte intensité, les rotors, ainsi que l’axe d’entraînement sont soumis à des charges statiques et dynamiques encore plus importantes. Dans les éoliennes terrestres, les roulements principaux subissent des contraintes de 1 MN; elles sont bien supérieures dans le cas des turbines offshore.
 
Emplacement des roulements du rotor principal dans les installations de turbines éoliennes sans réducteurs.
 
 
Des exigences croissantes
La durée de vie des roulements destinés aux éoliennes fait l’objet d’exigences croissantes. Pour les turbines offshore, les fabricants définissent habituellement une longévité de roulement de 175’000 heures, équivalente à 20 ans. Cependant, compte tenu des coûts d’investissement élevés et des difficultés d’accès aux installations d’énergie éolienne offshore, une durée de vie de 25 ans est spécifiée. Il s’agit d’un défi considérable en raison des contraintes dynamiques extrêmement élevées.
 
L’intégration d’étages d’engrenages planétaires et de roulements à plusieurs rangées est une tendance majeure dans le secteur des éoliennes.
 
 
Des roulements à plusieurs rangées de rouleaux coniques
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 par 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 installations 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.
 
La société NSK propose depuis plus de 20 ans, une vaste gamme de roulements pour éoliennes.
 

Des réducteurs à deux ou trois étages planétaires
Dans les transmissions à engrenages, les réducteurs à deux ou trois étages planétaires sont aujourd’hui monnaie courante. Ces étages 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, la société NSK a développé, en étroite collaboration avec un 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 seize 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 fournisseur. Ce qui a conduit NSK à enrichir sa gamme de produits, même si l’entreprise développe et fabrique depuis 20 ans différents types de roulements pour réducteurs et générateurs.
 
Symptômes de dommages occasionnés à une bague de roulement, dus à des fissures de phase blanche.
 
 
Recherche des fissures de phase blanche
En raison de la dimension des roulements requis pour les turbines éoliennes offshore et de la difficulté d’accès aux installations, l’industrie éolienne est manifestement très sensible à la dégradation des roulements. L’expertise technique permet de surmonter toutes les formes courantes de dommages aux roulements. Grâce aux méthodes de conception avancées, associées à des niveaux élevés de pureté de l’acier, les défaillances de roulements ont quasiment disparu dans l’éolien.
Toutefois, le secteur des roulements poursuit les recherches dans le domaine des fissures de phase blanche, appelées WEC (White Etching Cracks). Ces fissures sont des signes de défaillance qui apparaissent très tôt dans la vie des roulements. Elles se propagent vers la surface et provoquent un écaillage. 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 pénétration d’hydrogène
La cause de ces fissures de phase blanche est longtemps demeurée inconnue. Une série d’essais a montré que ce défaut provient vraisemblablement de la pénétration d’hydrogène, mais l’origine de cet 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.
 
Les roulements peuvent être équipés de capteurs intégrés montés à l’extérieur, en liaison avec des systèmes de surveillance d’état.
 
 
Un nouveau matériau
Pour résoudre ce problème, l’entreprise NSK a mis au point un nouveau matériau offrant une meilleure résistance à la pénétration d’hydrogène et à la formation de fissures dues à la fragilisation par ce gaz. 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.
 
L’analyse vibratoire pour détecter les anomalies
Du fait des caractéristiques de sécurité intrinsèques et des exigences de longévité importante, les roulements équipant les installations d’énergie éolienne sont des candidats 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 ainsi 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 le cycle de maintenance des installations.
 
À propos de NSK Europe
NSK Europe Ltd. est la filiale européenne du fabricant de roulements NSK basé à Tokyo, une société fondée au Japon en 1916 et qui emploie aujourd’hui quelque 30’000 personnes dans le cadre de ses activités mondiales. Les produits et les solutions offerts par ce fournisseur, notamment dans l’automobile, se trouvent partout où il y a du mouvement. Outre une large gamme de roulements standard, l’éventail des produits NSK s’étend aux paliers, à la technologie linéaire, aux roulements de roues, aux roulements pour transmissions et moteurs, ainsi qu’aux systèmes de guidage.
 
 
NSK France S.A.S.
F-78283 Guyancourt Cedex
Tél. +33 (0)1 30 57 39 39
www.nskeurope.fr


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