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Un nouveau modèle de roulement pour les multiplicateurs d’éoliennes

Un nouveau roulement est désormais disponible pour les multiplicateurs d'éoliennes. Les roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d'éoliennes offrent une meilleure endurance, une durée nominale supérieure et une robustesse accrue.

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Le secteur de l’éolien est soumis à des pressions constantes pour réduire le coût actualisé de l’électricité (LCoE) et s’appuie sur de nouveaux modèles de transmissions pour y répondre. La densité de couple du multiplicateur doit être augmentée pour limiter le poids de la nacelle et réduire la taille des plus gros composants afin de faciliter leur transport [1]. Pour ce faire, l’encombrement de toutes les pièces, y compris des roulements à rouleaux, doit être encore réduit sans compromettre les performances sur le terrain.

Les multiplicateurs d’éoliennes modernes comportent plusieurs engrenages planétaires. L’augmentation de la densité du couple passe par une augmentation du nombre de satellites. Le couple est ainsi réparti entre un plus grand nombre de contacts d’engrènement, ce qui permet de réduire les diamètres du planétaire et de la couronne. Ces nouvelles tendances de conception se sont traduites par une réduction significative de la taille des multiplicateurs, mais aussi par une diminution de l’espace disponible pour le roulement qui supporte les satellites (Fig. 1).

Nécessité de solutions de roulements à rouleaux robustes

Les paliers lisses hydrodynamiques sont d’excellents alliés pour réduire encore la taille des engrenages planétaires. Toutefois, en fonction des conditions de fonctionnement, de la vitesse de rotation, de la géométrie des engrenages planétaires, comme le ratio largeur sur diamètre par exemple, les roulements à rouleaux peuvent apporter une solution économique à la fiabilité éprouvée. De nouveaux modèles de roulements à rouleaux, capables de supporter des charges et des pressions de contact supérieures sont ainsi nécessaires pour contribuer à l’augmentation de la densité du couple.

Un autre argument important en faveur du développement de nouvelles solutions de roulements pour les multiplicateurs d’éoliennes est la nécessité d’améliorer la fiabilité et la robustesse face aux modes de défaillance habituels sur le terrain, comme les défaillances prématurées par fissures de phase blanche (WEC) [2] ou micropiqûres [4].

Cet article est consacré au roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes, issu d’un projet de développement d’un nouveau modèle de roulement qui devait répondre aux critères suivants :

  • Augmenter la durée nominale des roulements pour permettre une réduction de la taille.
  • Accroître la résistance aux modes de défaillance typiques au sein des multiplicateurs d’éoliennes.

Fig. 1 : Diamètres habituels de la couronne et du planétaire du premier étage des multiplicateurs d'éoliennes (à gauche) et schéma d'un étage planétaire à plusieurs satellites (à droite).

Roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes

Le roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes a été mis au point pour répondre aux exigences les plus élevées relatives à cette application de roulements. Il est fabriqué dans un acier pour roulements soigneusement sélectionné et soumis à un traitement thermochimique destiné à améliorer les propriétés de la surface et de la sous-couche de ses composants.

Fig. 2 : Traitement thermochimique du roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d'éoliennes.
L’enrichissement de la surface et de la sous-couche produit une microstructure fine avec des précipités fins et un niveau contrôlé d’austénite résiduelle stable répartie uniformément dans la microstructure. Il est communément admis que toutes ces caractéristiques ont un effet positif sur la résistance à la fatigue d’un acier pour roulements, notamment sur la résistance aux défaillances initiées en surface et sur leur propagation [5]. Cet enrichissement contribue également aux contraintes compressives et à une dureté en surface supérieure par rapport aux roulements standard en service dans les éoliennes. La résistance à la fatigue du contact de ce roulement est ainsi décuplée.

Évaluation des performances

Tests de durée des roulements

Une campagne de tests a été réalisée, couvrant des conditions de charges très élevées, de pistes pré-indentées, de film lubrifiant complet et de régime de lubrification maigre. Les pré-indentations induisent des concentrations de contraintes locales en surface, avec pour effet de réduire l’efficacité de la lubrification. Le Tableau 1 récapitule les paramètres de ces tests.

Tableau 1 : Conditions des tests en matière de charge (C/P) et de lubrification (kappa).

Les tests ont été réalisés avec des roulements à rouleaux coniques de taille moyenne actuellement utilisés sur l’arbre rapide de multiplicateurs d’éoliennes de 2 MW et 3 MW.

Deux variantes de roulements ont été testées. Le modèle de référence est un roulement en acier trempé haute performance, avec des caractéristiques SKF Explorer [3] et un revêtement « black oxide ». Il est comparé au roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes.

Tous les résultats des tests d’endurance ont été rassemblés dans un graphique de Weibull normalisé, présenté sur la Fig. 3. Cette figure montre l’amélioration significative des performances obtenue avec le roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes par rapport au modèle de référence. L’étoile indique la durée ISO/TS 16281:2008 modifiée pour le roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes (voir section 4). Les paramètres du modèle ont été sélectionnés de manière à ce que la durée nominale théorique soit proche de la limite inférieure de l’intervalle de confiance de la durée L10h.

Fig. 3 : Résultats des tests combinés et normalisés par rapport au modèle de prédiction.

Résistance aux défaillances prématurées par fissures de phase blanche (WEC)

Bien que la mise en œuvre de mesures destinées à renforcer la robustesse, comme le revêtement « black oxide », ait permis de réduire le nombre de défaillances prématurées de roulements de façon significative [6], le marché est toujours en quête de solutions plus robustes. Ce besoin concerne aussi bien le marché de la rechange, pour remédier à des problèmes de défaillances prématurées de modèles existants, que la fabrication de nouveaux modèles de multiplicateurs, car les limites exactes des conditions de fonctionnement en cas de défaillances prématurées de roulements ne sont pas parfaitement connues [6].

Plusieurs facteurs de défaillances prématurées par fissures de phase blanche ont cependant été identifiés [4]. Différents tests ont été élaborés pour vérifier la robustesse des solutions de roulements. SKF utilise un banc d’essai qui reproduit les défaillances prématurées en introduisant des contraintes de traction élevées [7]. Au sein de l’application, ces contraintes de traction élevées peuvent être induites par des ajustements inappropriés, un battement radial du diamètre de l’arbre ou une déformation de la portée de roulement. Sur le banc d’essai, le roulement est monté sur un arbre présentant des ondulations artificielles dont les sommets génèrent des contraintes de traction élevées dans les pistes (Fig. 4). Même sous des pressions de contact aux alentours de 1,5 GPA au contact de roulement, qui correspondent à des conditions de fonctionnement normales dans les multiplicateurs d’éoliennes, on obtient, au bout d’une durée relativement courte, des défaillances prématurées dont l’aspect est très similaire à celui des défaillances observées sur le terrain (Fig. 4).

Les six roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes ont tous été testés dans des conditions identiques et aucune défaillance n’a été déplorée comme le montre le diagramme de la Fig. 5. Tous les tests ont été suspendus au bout de 1 600 heures ou plus. Les roulements en acier standard traités thermiquement ont présenté des défaillances au bout de 178 heures en moyenne.

Fig. 4 : Reproduction de défaillances prématurées avec fissures WEC par application de contraintes circonférentielles accrues [7] : contraintes de traction dans la bague intérieure (a) et roulement défaillant à l'issue du test présentant des fissures WEC et un motif en forme de lentille à la surface de la fissure (b), comme observé également dans plusieurs défaillances sur le terrain.
Fig. 5 : Comparaison des durées de service sur le banc d'essai sous contrainte de traction entre un roulement en acier standard traité thermiquement et le roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d'éoliennes. La durée moyenne avant défaillance du roulement en acier standard traité thermiquement est de 178 heures, tandis que tous les roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d'éoliennes étaient toujours en fonctionnement lorsque les tests ont été suspendus.

Nouveaux modèles de durée pour les roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes

L’industrie éolienne a besoin d’une évaluation de la durée nominale des roulements basée sur ISO/TS 16281:2008 [10]. ISO/TS 16281:2008 et ISO 281:2007 ne permettent pas de calculer la durée des solutions de roulements haute performance. C’est pourquoi SKF a développé une méthode pour intégrer les performances du roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes au modèle de durée modifiée ISO/TS 16281:2008. Cette méthode repose sur une augmentation de la charge dynamique combinée à une augmentation du facteur de modification de la durée αISO.

D’après ISO 281:2007, la formule pour calculer αISO est la suivante :

D’après Ioannides et al. [11], l’effet bénéfique des traitements thermiques de pointe et du fini de surface amélioré peut être pris en compte dans le modèle ISO en ajoutant des nombres caractéristiques appropriés à αISO. Pour intégrer l’amélioration des performances du roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes, les facteurs Ψrlmt, reflétant l’effet Explorer, et ΦHDB, reflétant l’effet supplémentaire de l’acier amélioré et du traitement thermique, ont été ajoutés à αISO :

Sur la base des tests d’endurance présentés plus haut, il est possible de déterminer la fonction d’ajustement Ψrlmt et ΦHDB.

Les roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes intègrent des matériaux aux propriétés améliorées en sous-couche comme en surface. Par conséquent, le Modèle général de la durée du roulement SKF (GBLM) [8], qui sépare les effets en surface et en sous-couche (voir Fig. 6), constitue le modèle de durée le plus approprié pour refléter les performances supérieures de la façon la plus réaliste. La formule de base du modèle SKF GBLM est la suivante :

La partie de l’équation correspondant à la sous-couche, représentée par l’intégrale du volume, peut être résolue en utilisant les techniques relatives à la fatigue des contacts de roulement [8]. Quant à la partie correspondant à la surface, représentée par l’intégrale de l’aire, elle permet de tenir compte des modes de défaillance relatifs à la fatigue en surface. Elle intègre également la modélisation de la caractéristique de conception des roulements qui améliore la résistance de la surface, comme dans l’application qui nous intéresse. Cette approche a déjà été appliquée avec succès au calcul de durée des roulements hybrides [9] et va être étendue à d’autres produits SKF de plus en plus nombreux.

Une fois les différents facteurs du nouveau modèle de durée définis sur la base des tests de durée décrits plus haut, la durée nominale des roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes peut être déterminée.

Fig. 6 : Séparation de la surface et de la sous-couche telle que proposée par le modèle SKF GBLM.
Le processus d’actualisation et de validation des modèles de durée modifiée ISO/TS 16281:2008 et SKF GBLM pour les roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes a été audité avec succès par DNV.

L’allongement de la durée de service des roulements dépend des conditions de service réelles. La Fig. 7 illustre l’allongement moyen obtenu dans plusieurs exemples de calculs pour les différents étages d’un multiplicateur typique. La durée de service est au moins quatre fois plus longue. L’amélioration des performances en surface comme en sous-couche permet un allongement significatif de la durée nominale dans une grande variété de conditions de service.

Fig. 7 : Allongement de la durée nominale obtenu par modélisation du remplacement d'un produit SKF Explorer par un roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d'éoliennes aux différents étages d'un multiplicateur typique. La moyenne des résultats est issue de nombreux calculs de modélisation des différentes conditions de fonctionnement applicables, puisque l'allongement dépend de la propreté de l'huile, la valeur kappa et les conditions de charge.

Contribution des roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes à l’augmentation de la densité du couple.

La taille du roulement qui supporte le planétaire détermine la taille minimum de ce dernier. Une éventuelle réduction de la taille du roulement aura ainsi un impact direct sur la taille du planétaire et, par conséquent, sur celle de la couronne, donc sur la densité du couple du multiplicateur.

Cette section montre à travers un exemple d’application la contribution apportée par les roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes à l’augmentation de la densité du couple avec un roulement de planétaire plus petit mais de durée nominale identique. La solution est basée sur

un engrenage planétaire de multiplicateur d’éolienne 6 MW ultramoderne supporté par un roulement à quatre rangées de rouleaux cylindriques dont le chemin de roulement de la bague extérieure est intégré à la roue dentée. Les exigences du client portent sur une durée nominale de 30 ans, conformément à la norme CEI 61400-4 [10], et sur la réduction du diamètre de la piste extérieure.

La Fig. 8 montre qu’il est possible de réduire la taille du roulement tout en conservant la même durée nominale. La première barre correspond à la durée nominale du roulement d’origine. La seconde barre représente l’allongement de la durée obtenu si ce roulement est remplacé par un roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes. La troisième barre montre la durée du modèle de roulement optimisé avec la solution haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes. Le diamètre de la piste extérieure est réduit de 25%, passant de 460 à 350 mm, tandis que la durée nominale reste conforme aux exigences du client.

Fig. 8 : Durée nominale et diamètre de la piste extérieure pour un modèle de multiplicateur de 7 MW : (1) taille d'origine, SKF Explorer, (2) taille d'origine, roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d'éoliennes et (3) diamètre du chemin de roulement extérieur optimisé, roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d'éoliennes.
Le client peut alors réduire les dimensions du planétaire jusqu’à 25%, ainsi que, par conséquent, celles de la couronne, comme illustré par les schémas de la Fig. 9.
Fig. 9 : Schéma de l'augmentation de la densité du couple avec le roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d'éoliennes : La diminution de la taille du roulement planétaire (b) permet de réduire la taille de la roue planétaire de 25%, augmentant ainsi la densité du couple (c).

Des réductions dimensionnelles sont également possibles à d’autres positions dans le multiplicateur :

  • Selon l’étage planétaire, le fabricant du multiplicateur cherchera à réduire soit le diamètre, soit la largeur du roulement (plus pertinent pour les étages de vitesse supérieure).
  • Sur l’arbre rapide, la réduction dimensionnelle permise par le roulement pour multiplicateurs d’éoliennes haute résistance SKF contribuera à réduire le risque de dommages dus au glissement dans lesquels l’inertie de l’ensemble de rouleaux joue un rôle important.

Conclusions

L’acier optimisé et le traitement thermique utilisés pour les roulements haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes offrent des avantages prouvés :

  • La réduction permise des dimensions du roulement et de l’engrenage jusqu’à 25% sous des charges identiques s’est traduite par une durée en fatigue 5 fois plus longue en surface et en sous-couche.
  • Les exigences de fiabilité supérieure et de durée de vie de 30 à 40 ans ont pu être satisfaites et cette durée nominale sans égal dans le secteur a été prise en compte à travers la modification apportée à ISO/TS 16281:2008 et bientôt au modèle SKF GBLM, et attestée par DNV.
  • Fiabilité accrue sur le terrain du fait d’une plus grande résistance aux conditions de fonctionnement difficiles caractéristiques des multiplicateurs d’éoliennes.

En outre, la résistance accrue du roulement haute résistance SKF pour multiplicateurs d’éoliennes aux modes de défaillance typiques dans les multiplicateurs d’éoliennes permet de réduire les arrêts imprévus des éoliennes et les dépenses de réparation. Cette solution permet de lutter sur le terrain contre les défaillances prématurées de roulements.

Références

  1. « Focus areas in Vestas Powertrain », A. Weber, A. Hansen, Conference for Windpower Drives, Aix-la-Chapelle (2021)
  2. « Les fissures de phase blanche WEC », K. Stadler, R.H. Vegter, D. Vaes, SKF Evolution (2018)
  3. « Catalogue Roulements » 2018, SKF
  4. « Comprendre et prévenir la fatigue de surface », G. Morales, V. Brizmer, SKF Evolution (2011)
  5. « Steels for bearings », H.K.D.H. Bhadeshia, Progress in Materials Science, 57 (2012)
  6. « Avantages offerts par l’utilisation de roulements « black oxide » dans les applications d’éoliennes », K. Stadler, B. Han, V. Brizmer, R. Pasaribu, SKF Evolution (2015)
  7. « Investigation on the mechanisms of white etching crack (WEC) formation in rolling contact fatigue and identification of one root cause for bearing premature failure », J. Lai, K. Stadler, Wear (2016)
  8. « Un nouveau modèle - Une avancée majeure », G. Morales, A. Gabelli, SKF Evolution (2015)
  9. « Modèle généralisé de durée de vie SKF pour roulements hybrides », G. Morales, A. Gabelli, A. Felix, SKF Evolution (2019)
  10. « Aérogénérateurs — Partie 4 : Exigences de conception des boîtes de vitesses d'aérogénérateurs », CEI 61400-4:2012
  11. « An Analytical Formulation for the Life of Rolling Bearings », E. Ioannides, G. Bergling, A. Gabelli, Acta Polytechnica Scandinavica, vol. 137 (1999)