De nouveaux défis pour les roulements de rotor sur les éoliennes offshore de 8 MW

De nouveaux défis pour les roulements de rotor sur les éoliennes offshore de 8 MW

Le projet britannique d’éolien off­shore de 33 gigawatts, « Round 3 », a suscité l’apparition d’une nouvelle génération d’éoliennes.

Auteur :
Matthias Hofmann,
Ingénieur d’applications en chef chez SKF, Centre d’excellence applications, Schweinfurt (Allemagne).

Roulements à rouleaux cylindriques Roulements à rotule sur rouleaux Roulements à rouleaux coniques Distribution d'électricité, de gaz et d'eau

Résumé

SKF dispose d’une capacité solide concernant les paliers de rotor dans la catégorie 8 MW pour relever tous les défis évoqués. La gamme des différents systèmes de transmission est appelée à évoluer à l’avenir. SKF se pose en partenaire privilégié des concepteurs, fabricants et exploitants d’éoliennes avec des sites de production partout dans le monde. Des spécialistes travaillent sur ces sites au développement de nouveaux systèmes de transmission, de la conception à la production en série.

Les éoliennes installées dans le cadre d’un nouveau projet d’éolien offshore de 33 gigawatts (GW) au Royaume-Uni présentent des pales d’une longueur extrême, jusqu’à 90 m, pour un poids total d’environ 220 tonnes. La distance entre l’extrémité du moyeu et le mât est spécifiquement étudiée pour permettre la flexion des pales en toute sécurité. L’un des objectifs est de développer des systèmes de transmission qui soient aussi légers et compacts que possible pour réduire le coût total de l’équipement et de l’installation.

SKF propose un large choix de roulements pour les arbres principaux d’éolienne adaptés à différents systèmes de transmission permettant d’atteindre des performances optimales, sans modification de l’agencement des éoliennes, pour un coût d’exploitation le plus faible possible.

Les roulements à rotule sur rouleaux dans les éolien­nes avec multiplicateur
Les conceptions avec deux roulements sur l’arbre principal, basées sur un roulement à rouleaux toroïdaux (CARB) et un roulement à rotule sur rouleaux logés dans des paliers de rotor distincts, ont été instaurées dans la catégorie des 5 MW (Fig. 1). Le roulement CARB est utilisé exclusivement en position de palier libre ; la fonction relative au mouvement axial est assurée par le biais de bagues sans épaulement. Plus petit, le roulement à rotule sur rouleaux, en position de palier fixe, se trouve côté génératrice, à une distance adéquate du roulement CARB. Le jeu inhérent qui s’exerce à l’intérieur des roulements de cette taille exige à l’avenir une approche plus globale et plus dynamique de l’ensemble du système de transmission. Il est, par exemple, important d’en tenir compte pour les paliers planétaires du multiplicateur, ainsi que pour les supports de ce dernier.

Fig. 1. Montage de roulements combinant un roulement CARB en position libre et un roulement à rotule sur rouleaux en position fixe.

Fig. 1. Montage de roulements combinant un roulement CARB en position libre et un roulement à rotule sur rouleaux en position fixe.

Les roulements auto-aligneurs compensent efficacement une flexion de l’arbre importante, des erreurs d’angles et des décalages des deux paliers. Grâce à leur capacité de guidage automatique, ils adoptent toujours la position qui permet une répartition uniforme de la charge sur toute la longueur des rouleaux (Fig. 2). Même en cas de basculement ou de déplacement axial, la capacité de charge de ces roulements reste ainsi très élevée.

Les conceptions avec deux roule­ments sur l’arbre principal combi­nant roulement CARB et roulement à rotule sur rouleaux a fait ses preuves et s’est logiquement imposée pour être utilisée au cœur de la nouvelle éolienne à engrenages de 8 MW. Sur la base d’un arbre creux, il est possible d’utiliser un roulement CARB de 1 700 à 1 800 mm d’alésage et un roulement à rotule sur ­rouleaux de 1 200 à 1 300mm d’alésage. SKF propose des roulements CARB et des roulements à rotule sur rouleaux de « nouvelle génération » dans ces tailles. Ces roulements offrent des performances nettement améliorées en termes de durée de vie, de rendement et de capacité de charge dynamique. Ces performances améliorées ont pu être atteintes grâce à un acier de très grande qualité soumis à un traitement thermique X-Bite optimisé et qui se distingue par une résistance à la fatigue supérieure et contribue à une répartition uniforme de la charge à l’intérieur du roulement.

SKF s’est également penché sur la question de paliers spécifiques pour chacune des tailles de roulements. Ces paliers sont conçus pour contribuer à une répartition optimale de la charge en tenant compte des charges qui s’exercent en service et de leur déformation (Fig. 3). En outre, des joints à lèvres ou à chicane SKF peuvent également être intégrés selon le type de lubrification, à graisse ou (à venir) à l’huile.

Fig. 2. Répartition des contraintes au niveau des rouleaux les plus lourdement chargés dans un roulement CARB C39/1700 et un roulement à rotule sur rouleaux 240/1320, pour un cas de charge extrême, projet de 7 MW.

Fig. 2. Répartition des contraintes au niveau des rouleaux les plus lourdement chargés dans un roulement CARB C39/1700 et un roulement à rotule sur rouleaux 240/1320, pour un cas de charge extrême, projet de 7 MW.

Fig. 3. Modèle de calcul SKF Bearing Beacon « flexible » pour un roulement CARB C39/1700 et un roulement à rotule sur rouleaux 240/1320 logés dans des paliers individuels distincts, projet de 7 MW.

Fig. 3. Modèle de calcul SKF Bearing Beacon « flexible » pour un roulement CARB C39/1700 et un roulement à rotule sur rouleaux 240/1320 logés dans des paliers individuels distincts, projet de 7 MW.

Les roulements rigides dans les éoliennes avec multiplicateur
Le montage est constitué d’un roulement à rouleaux cylindriques et d’un roulement à rouleaux coniques à deux rangées (Fig. 4). Il est utilisé avec succès depuis des années dans les éoliennes à engrenages. Il offre des possibilités intéressantes pour les principaux montages de roulements – y compris pour les éoliennes avec multiplicateur de 8 MW dotées d’un système de transmission modulable.

Les exigences en termes de précision de fabrication et de tolérances de forme et de position des portées des bagues extérieures des deux roulements sont extrêmement élevées par rapport à un montage de roulements auto-aligneurs. Ce montage nécessite un palier de rotor long, à l’intérieur duquel la portée des deux bagues extérieures des roulements est fabriquée en une seule opération, de manière à éviter tout défaut d’alignement radial (Fig. 5).

Le logiciel de calcul SimPro Expert de SKF peut être utilisé pour étudier la déformation de l’arbre du rotor et des paliers, y compris de la structure portante dans le but d’identifier des facteurs ayant un impact négatif sur la zone de charge et le défaut d’alignement des roulements.

Par expérience, la conception du palier doit être optimisée et les profils des pistes des éléments roulants doivent réduire la charge de bord à un niveau raisonnable. En général, à partir de 1 700 mm d’alésage, les roulements à rouleaux cylindriques à une et deux rangées avec des jeux de rouleaux minces et des cages optimisées sont à privilégier et conviennent pour une éolienne de 8 MW.

Un roulement à rouleaux coniques à deux rangées convient dans un montage en X (face-à-face) comme palier fixe du côté intérieur de la génératrice. Dans le cas des grands diamètres d’alésage (> 1 000 mm), la possibilité d’utiliser des roulements en configuration TDI (avec bague intérieure monobloc) comme alternative à deux roulements à rouleaux coniques à une seule rangée doit également être étudiée.

Des montages « rigides » constitués d’un roulement à rouleaux cylindriques et d’un roulement à rouleaux coniques peuvent être conçus pour un encombrement plus faible (longueur plus courte), par rapport aux montages « flexibles » combinant roulement CARB et roulement à rotule sur rouleaux.

Fig. 4. Le montage est constitué d’un roulement à rouleaux cylindriques à deux rangées et d’un roulement à rouleaux coniques à deux rangées ce qui se traduit par une conception plus compacte (plus courte).

Fig. 4. Le montage est constitué d’un roulement à rouleaux cylindriques à deux rangées et d’un roulement à rouleaux coniques à deux rangées ce qui se traduit par une conception plus compacte (plus courte).

Fig. 5. Palier de rotor intégrant un roulement à rouleaux cylindriques à deux rangées et un roulement à deux rangées de rouleaux coniques, projet de 5 MW.

Fig. 5. Palier de rotor intégrant un roulement à rouleaux cylindriques à deux rangées et un roulement à deux rangées de rouleaux coniques, projet de 5 MW.

Un montage de deux roulements à rouleaux coniques à une rangée en opposition est également considéré comme un montage à deux paliers « rigide » pour des éoliennes avec ou sans multiplicateur. En utilisant deux roulements à rouleaux coniques à une rangée d’environ 2 200 mm de diamètre d’alésage conçus séparément, avec des capacités de charge et des angles de pression différents, il est possible d’obtenir un ensemble-roulement de rotor format XXL relativement compact basé sur un arbre de rotor creux et un palier monobloc pour une éolienne de 8 MW (Fig. 6).

Un faible encombrement et un poids réduit sont des facteurs clés. Il est, par conséquent, nécessaire de prendre en considération, dès le début de la conception, l’ensemble du montage de roulements : options de fixation, rigidité, déformations et éléments influant sur la précharge des deux roulements à rouleaux coniques. Du fait de l’espace relativement restreint entre les roulements dans un montage dos-à-dos et du grand diamètre des bagues, toute perte de précharge et son influence sur la durée de service des roulements, doivent être prises en compte. C’est là un véritable défi et le passage à une lubrification à l’huile pourrait être un moyen, dans ce montage, de maîtriser le niveau de température (et donc la dilatation thermique) du système de roulements de rotor préchargé.

Le roulement SKF Nautilus dans les éoliennes avec multiplicateur
Ces dernières années, des systèmes de transmission extrêmement compacts basés sur un roulement SKF Nautilus semi-intégré ont été réalisés pour des éoliennes de 2 à 6 MW avec un diamètre de pales d’environ 125 m. Dans ces installations, le roulement de reprise de la charge de moment est logé dans la structure du châssis, à l’avant de la nacelle (Fig. 7). Toutes les forces et contraintes de flexion sont transmises de manière optimale de l’arbre du rotor au châssis de l’éolienne par l’intermédiaire du palier de rotor. Le roulement de reprise de la charge de moment est fixé sur un arbre de rotor court entre le moyeu et le multiplicateur.

Fig. 6. Montage combinant deux roulements à rouleaux coniques à une rangée conçus individuellement qui permet d’obtenir une unité au format XXL relativement compacte.

Fig. 6. Montage combinant deux roulements à rouleaux coniques à une rangée conçus individuellement qui permet d’obtenir une unité au format XXL relativement compacte.

Fig. 7. Montage basé sur un roulement SKF Nautilus semi-intégré permettant d’obtenir un système de transmission compact.

Fig. 7. Montage basé sur un roulement SKF Nautilus semi-intégré permettant d’obtenir un système de transmission compact.

Ce roulement à rouleaux coniques à deux rangées disposés en O (dos-à-dos) avec un grand diamètre constitue la base du centre de pression pour la reprise et le transfert des couples de déversement importants. Le sommet commun de l’angle de contact interne de 45° et de l’angle relativement faible des rouleaux coniques fournit un contact de roulement pur avec les pistes sur toute la longueur des rouleaux, préservant ainsi ces derniers de tout dommage pouvant être causé par le glissement. La conception avec des cages à segments SKF procure la flexibilité requise pour faire face aux flexions importantes du système sous de fortes charges.

Pour des diamètres de pales jusqu’à 180 m dans la future catégorie de 8 MW, le porte-à-faux du centre du moyeu au centre du mât est même encore plus important pour fournir suffisamment d’espace pour permettre la flexion de l’extrémité des pales. Autrement dit, la nacelle est suffisamment longue pour y loger un système de transmission modulaire constitué d’un montage de deux roulements et d’un multiplicateur sur brides. Lorsqu’un roulement SKF Nautilus est ­utilisé, il est opportun de réduire le porte-à-faux du moyeu pour maintenir le point de connexion moyeu-roulement de reprise de la charge de moment à la distance la plus courte possible et faire en sorte que le centre de gravité du multiplicateur, qui pèse entre 80 et 110 tonnes, soit proche du centre du mât ou au-delà.

Il en est de même pour les modèles d’éoliennes hybrides de 8 MW sur lesquelles l’ensemble du système de transmission (palier de rotor, multiplicateur et génératrice) est intégré sous forme d’une seule unité. Pour intégrer un palier de rotor dans le multiplicateur, il est essentiel de dissocier les déformations qui s’opèrent dans le palier du rotor et les structures environnantes de l’étage suivant (planétaire) du multiplicateur. Cela permet de s’assurer que l’arbre d’entrée d’entraînement présente un couple d’entraînement pur (jusqu’à 10 000 kNm de couple nominal) et que l’engrènement de haute précision des éléments dentés ne soit pas altéré.

Le roulement SKF Nautilus dans les entraînements directs
Le choix des types de roulements et de leur montage a des répercussions sur la déformation totale et la rigidité du système de transmission, ainsi que, par conséquent, sur la génératrice électrique en termes de puissance magnétique, de masse et d’entrefer à maintenir. Une réduction de l’entrefer de la génératrice de seulement 1 mm peut représenter des économies importantes et une amélioration impressionnante du rendement de l’éolienne sur toute sa durée de service.

Outre les deux roulements à rouleaux coniques et la combinaison roulement à rouleaux coniques à deux rangées et roulement de rotor à rouleaux cylindriques, assemblés principalement sur un assemblés principalement sur un pivot central fixe, la version basée sur un roulement de reprise de la charge de moment est de plus en plus utilisée à travers le monde (Fig. 8). Le roulement de reprise de la charge de moment constitue l’organe de liaison central entre le moyeu et une génératrice à faible vitesse installée à l’avant du mat.

Fig. 8. Montage avec un roulement SKF Nautilus entre le moyeu de pales et la génératrice.

Fig. 8. Montage avec un roulement SKF Nautilus entre le moyeu de pales et la génératrice.

Des variantes du roulement de reprise de la charge de moment SKF Nautilus exigent une étude détaillée des performances du roulement et l’optimisation de l’entrefer de la génératrice (excentricité, flexion, flexion angulaire), en tenant compte de la déformation de l’ensemble. Par ailleurs, sur un plan très pragmatique, l’accessibilité est également importante au moment de remplacer les étanchéités, d’effectuer un appoint en graisse ou d’évacuer la graisse usagée. Pour ce faire, SKF offre des joints de grand diamètre adaptés, d’une seule pièce ou en version coupée.

Des capacités de charge statique et de charge dynamique élevées sont requises pour garantir la stabilité des performances des roulements sur 20 ans, conformément aux normes SKF relatives à l’éolien et aux exigences externes du DNV-GL en vue de la certification des éoliennes.

Les éoliennes de 8 MW nécessiteront des capacités de charge encore plus élevées qui pourront être atteintes grâce à des rouleaux plus gros et des sections de bagues supérieures. SKF est sollicité pour améliorer encore les roulements, notamment par le biais de nouveaux joints pour lubrification à l’huile et nouveaux systèmes de lubrification, en tenant compte des limites physiques.

Fig. 9. Roulement SKF Nautilus nouvelle génération.

Fig. 9. Roulement SKF Nautilus nouvelle génération.

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