Comment les grandes éoliennes offshore posent des problèmes de conception de roulements

Par Paul Dvorak | 23 février 2018

Philippe Schmid, Ingénieur d'application, SKF

Philippe Schmid

Depuis 2012, des turbines offshore d'une puissance totale supérieure à un gigawatt (GW) sont mises en service chaque année dans les eaux européennes. Selon WindEUROPE, l'éolien offshore en Europe a enregistré 1 558 MW nets supplémentaires de capacité connectée au réseau installés en 2016.

Malgré les défis liés à la construction de turbines offshore, la capacité devrait augmenter à mesure que les sites terrestres appropriés se raréfient et que les opérateurs profitent de la plus grande constance du vent en mer. La puissance de sortie des turbines offshore a également tendance à être supérieure à celle de leurs homologues terrestres. Selon WindEUROPE, la puissance moyenne des éoliennes offshore installées en 2016 était de 4,8 MW. Des turbines d'une capacité de 9 MW ou plus sont maintenant en phase de lancement – ​​le développement V164-9,5 MW de Vestas en est un excellent exemple.

La turbine générique à boîte de vitesses arbore une suspension à deux points assurée par les deux gros roulements. L'arrangement est utilisé sur les turbines de la gamme 6-MW.

Les éoliennes offshore ont également tendance à avoir des pales plus longues qui imposent des forces plus importantes sur les transmissions. De plus, les transmissions et leurs roulements sont plus exposés à la corrosion en raison de l'environnement d'eau salée. La maintenance offshore est difficile, potentiellement dangereuse et coûteuse. Les opérateurs souhaitent donc réduire la fréquence des visites de maintenance, ce qui impose des exigences considérables aux roulements du rotor et à leur capacité à continuer à fonctionner de manière fiable dans ces conditions pendant de longues périodes.

Il existe quatre concepts de conception de roulements courants pour les arbres de rotor de turbine. Le premier est une suspension à deux points avec un roulement à rouleaux toroïdaux côté rotor et un roulement à rouleaux sphériques côté générateur. Ceci est utilisé pour les turbines de la catégorie 6 MW par exemple.

Pour les classes de performances supérieures, la tendance est à l'utilisation d'un montage de roulements « rigides » qui comprend un roulement libre et fixe combinant un roulement à rouleaux cylindriques et un roulement à rouleaux coniques à deux rangées. Alternativement, un roulement spécialement conçu qui combine les deux en un, tel que le Nautilus de SKF, ou des arrangements 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.

La turbine générique est conçue avec une suspension à trois points. Un point pour le grand roulement d'arbre principal et deux autres points de chaque côté de la boîte de vitesses.

D'autres caractéristiques de roulement ont également retenu l'attention. Les cages de roulement, par exemple, sont généralement en laiton usiné ou en tôle, cette dernière se trouvant plus souvent dans les roulements plus gros. Dans la mesure du possible, les cages sont toujours installées d'un seul tenant, mais pour les roulements de plus grandes dimensions, elles peuvent comporter des rangées de segments fabriqués individuellement et positionnés les uns derrière les autres. Tous les types de cages peuvent être centrés sur la bague intérieure, ce qui produit moins d'usure et prolonge ainsi la durée de vie du roulement, ce qui est clairement important pour les éoliennes offshore.

Les roulements de boîte de vitesses ont également été améliorés. L'une des avancées récentes les plus importantes est un traitement chimique de surface qui place une oxydation noire sur le chemin de roulement. Par rapport aux roulements non traités, les roulements oxydés noirs peuvent offrir une gamme d'avantages pour les applications d'éoliennes, notamment un risque réduit de défaillance prématurée des roulements causée par des fissures de gravure blanche, une plus grande résistance aux attaques chimiques par les composants plus agressifs de certains lubrifiants, une perméation d'hydrogène plus faible et une résistance améliorée à la corrosion. De plus, les surfaces de roulement oxydées noires peuvent offrir une friction réduite, un risque réduit de dommages par glissement et une plus grande tolérance à une mauvaise lubrification des roulements.

La coupe montre comment un OEM gère une configuration à entraînement direct avec une suspension à deux points, de chaque côté du rotor.

En plus de l'environnement offshore, les roulements doivent également faire face aux effets potentiellement dommageables des courants électriques élevés. Par exemple, les générateurs d'éoliennes sont équipés de convertisseurs de fréquence qui posent de nouveaux problèmes pour les roulements. Les sorties de tension alternative triphasées du convertisseur prennent la forme d'une série d'impulsions rectangulaires, plutôt que de véritables ondes sinusoïdales, avec pour résultat que le total de ces tensions n'est pas nul et qu'il existe une tension de mode commun. Cette tension de mode commun peut entraîner des courants de fuite vers le rotor du générateur via ses roulements, endommager les chemins de roulement et compromettre les propriétés du lubrifiant.

Pour empêcher le passage de ces courants de fuite, les éléments roulants des roulements de générateur sont construits à partir de matériaux céramiques, qui ont également une inertie plus faible que ce qui est possible avec des roulements à billes en acier équivalents. En plus des éléments roulants non conducteurs, les roulements sont également disponibles avec des bagues revêtues de céramique, qui fournissent une isolation supplémentaire pour prolonger la durée de vie des roulements.

Pour les conceptions plus performantes, la tendance est d'utiliser un montage de roulement « rigide ». Celui-ci combine un roulement libre, une conception à rouleaux cylindriques (juste derrière le rotor), avec un roulement à rouleaux coniques à double rangée (juste avant la boîte de vitesses). La turbine avec palier de moment de la boîte de vitesses sépare la boîte de vitesses.

D'égale importance est la capacité de la nacelle de la turbine à s'aligner en fonction de la direction du vent et des pales à « virer » en réponse à la vitesse du vent. Ces fonctions sont soutenues par des roulements d'orientation, qui sont également devenus plus grands avec l'augmentation de la capacité de puissance de la turbine. Les roulements à quatre points de contact à double rangée sont normalement déployés dans les mécanismes de mise en drapeau des pales, tandis que les roulements à tour sont généralement des roulements à quatre points de contact à une rangée, mais de nouveaux concepts sont en cours de développement en raison de la longueur croissante des pales. Ces roulements sont galvanisés par pulvérisation pour éviter la corrosion et, en raison des conditions météorologiques extrêmes de l'environnement offshore, ils sont également équipés de joints spéciaux.

Les quatre profils montrent comment la conception de la transmission a évolué avec les sorties. Les diamètres de rotor et les poids de nacelle sont affichés en dessous de chacun. Ci-dessous se trouvent les chiffres pour les poids des turbines si les conceptions étaient agrandies pour une puissance nominale de 10 MW. Le Direct Drive HTS, d'AMSC, fait référence à la supraconductivité à haute température, un matériau qui promet de réduire considérablement le poids du générateur.