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Roulements de multiplicateurs d'éoliennes : garantir le futur de l'énergie éolienne

Les roulements de multiplicateurs d'éoliennes sont des pièces maîtresses pour la performance des éoliennes. Guillaume Badard, responsable du Bureau d'études Eolien chez The Timken Company, apporte ses conseils sur les choix techniques à opérer.

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Environnement & Technique N°355 Cet article a été publié dans Environnement & Technique n°355
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Alors que la COP21 s'est achevée, le changement climatique est plus que jamais dans les esprits de tous et l'énergie éolienne représente une solution importante dans la lutte contre le réchauffement climatique. La production d'énergie repose sur le fonctionnement optimal des éoliennes, et en particulier sur des mécanismes tels que la boîte de vitesse principale. Ce multiplicateur, élément de transmission entre le rotor lié aux pales qui tournent sous l'effet du vent et la génératrice qui convertit l'énergie du vent en électricité, constitue en effet l'une des pièces maîtresses de l'éolienne multipliant la vitesse de transmission pour répondre aux besoins de la génératrice.

Soumis à des charges variables et potentiellement très importantes, le multiplicateur requiert la plus haute fiabilité depuis sa conception jusqu'à son installation en passant par le choix des composants, et plus particulièrement celui des roulements. En effet, une sélection inappropriée ou un montage inadéquat d'un roulement pourra générer un large éventail de défaillances et d'endommagements, allant également jusqu'à détériorer d'autres composants du multiplicateur. Un impact désastreux, pouvant entraîner l'arrêt direct ou indirect de l'éolienne, affecter la productivité et générer des coûts imprévus de remplacement et de maintenance.

Des roulements dédiés aux applications éoliennes

Les roulements jouent un rôle important dans le développement d'une éolienne et il est important de les choisir avec précaution pour éviter toute défaillance prématurée et optimiser sa durée de vie.

  • Les roulements porte-satellites : au cœur du fonctionnement du rotor

La conception du rotor - partie tournante de l'éolienne - détermine le choix des roulements porte-satellites, cruciaux au bon fonctionnement de l'éolienne. Ainsi, si des roulements à rouleaux sphériques sont utilisés en tant que paliers du rotor, le rotor et le porte-satellites peuvent présenter sous certaines conditions un mouvement de va-et-vient axial, dû aux jeux radiaux et axiaux présents dans ces roulements sphériques. Si dans le même temps le porte-satellite est constitué de roulements à rouleaux cylindriques, ce mouvement axial issu du rotor pourra avoir une influence sur la performance de ces roulements et nécessiter des modifications importantes de design. De plus, étant donné que la couronne du système planétaire reste fixe, ce mouvement axial du porte-satellites pourra potentiellement engendrer une usure prématurée des dentures des planétaires et par conséquence une perte de performance de ceux-ci.

   
Palier de rotor – jeu dans les roulements à rouleaux sphériques (haut), Planétaire avec roulements à rouleaux coniques intégrés et arbre flexible (bas) © Timken
 
   
S'il n'est pas possible de remplacer les roulements sphériques du rotor par des roulements à rouleaux coniques préchargés (évitant ainsi ce jeu axial) il est alors recommandé d'utiliser deux roulements à rouleaux coniques à une rangée en montage direct sur ces porte-satellites. Les roulements à rouleaux coniques sont les seuls roulements qui peuvent fonctionner de manière standard en précharge axiale. Ainsi, les efforts axiaux supplémentaires dûs au mouvement axial du rotor vers le multiplicateur sont absorbés par ces roulements. En outre, en ajustant correctement la précharge désirée, la zone de charge d'un roulement à rouleaux coniques peut être optimisée pour diminuer les contraintes sur la piste du roulement et améliorer la rigidité du système planétaire.

Les roulements des planétaires : critiques pour optimiser les transmissions de puissance

Typiquement, les planétaires sont constitués d'une paire de roulements à rouleaux cylindriques (jointifs ou non) à deux rangées. Pourtant ces roulements connaissent de grandes variations de performance d'une application à l'autre. Tout d'abord, en cas de serrage trop faible ou d'une ovalisation trop importante du planétaire entrainant une absence de surface de contact suffisante entre la bague extérieure du roulement et l'alésage du planétaire, il peut y avoir un mouvement relatif entre cette bague et le planétaire et par conséquent une usure prématurée à cette interface. De plus, dans le cas d'un planétaire à denture hélicoïdale, la présence d'un moment de renversement supplémentaire dû aux efforts axiaux induits par les contacts planétaire/couronne et planétaire/solaire (efforts axiaux similaires mais de direction opposée) génère des efforts plus importants sur les rangées extérieures des paires de roulements. Cette distribution inégale des charges sur les quatre rangées impacte grandement la durée de vie des roulements.

Pour résoudre ces problèmes, la première approche est de considérer une intégration de la bague extérieure des roulements dans le planétaire pour éliminer cette interface et éviter une avarie prématurée de la bague extérieure, tout en augmentant l'espace disponible dans le roulement permettant d'augmenter la taille et/ou le nombre de rouleaux et ainsi améliorer la capacité de charge et donc la performance des roulements. De plus, l'utilisation de roulements à rouleaux coniques préchargés permet d'optimiser la zone de charge réduisant ainsi les contraintes et le risque de glissement des rouleaux et permettant également une meilleure distribution des charges entre rangées. Pour aller encore plus loin dans l'optimisation du système, particulièrement pour les applications avec de nombreux planétaires, un concept avec arbre flexible permet d'ajuster la déformation de l'arbre avec la déformation au niveau de la denture du planétaire de façon à assurer un contact optimal au niveau de cette denture. Cela permet également une distribution plus régulière de la charge sur les planétaires et réduit ainsi les exigences en termes de précision de fabrication et d'assemblage.

Les roulements d'arbres de sortie haute vitesse, position critique qui limite régulièrement la durée de vie des multiplicateurs

La combinaison de roulements à rouleaux cylindriques et de roulements à billes à quatre points de contact est communément utilisée dans ces positions à forte vitesse. Avec une vitesse élevée accompagnée d'une charge faible, il y a de forts risques de glissement des galets et par conséquent d'usure abrasive sur les pistes des roulements à rouleaux cylindriques tandis que les roulements à billes peuvent montrer des zones d'écaillage prématuré. Il faut alors opter pour des roulements à rouleaux cylindriques recouverts d'un revêtement qui permet d'éviter ces phénomènes d'usure abrasive et d'améliorer également les performances des roulements face aux impuretés présentes dans le lubrifiant. En combinaison de ces roulements cylindriques spéciaux, l'utilisation de roulements à rouleaux coniques permet de supporter des charges radiales et axiales dans les deux sens, tout en garantissant un roulement sans glissement pour minimiser les risques de d'écaillage ou d'usure prématurée.

Avec l'évolution rapide que connait l'industrie éolienne, la fiabilité des composants est au cœur des préoccupations des équipes de recherche et de développement. Il est donc essentiel d'optimiser la sélection des roulements pour assurer une meilleure conception des multiplicateurs et obtenir des améliorations significatives au niveau de leur fiabilité et de celle du système éolien dans sa globalité.

Réactions4 réactions à cet article

 

J'espérai que les éoliennes que l'on plante dans notre cadre de vie soient au point... un problème de roulement qui ne devrai intéresser que les techniciens... on va bientôt nous expliquer quelle pression il faut utiliser pour sertir les câbles Alu avec des cosses by-métal... Le public s'inquiète surtout sur les impacts et les dangers de ces machines industrielles qui transforment notre campagne pour ne fonctionner que le tiers du temps... Nous recherchons des infos sur le moyens de limiter le bruit ou les infrasons qui m'ont fait quitter la Loire Atlantique dans le triangle Châteaubriant, Nozay et Derval avec des accouphènes, des problèmes de digestion, des insomnies et nervosité qui pourraient être dues à toutes ces éoliennes qui entouraient mon village de Jans 44170 qui a un projet bouclé et 2 autres en préparation... Installé depuis mars en Vendée loin des éoliennes j'ai retrouvé la santé... mais des projets sortent sans préavis à Chantonnay, Thorigny, Les Pineaux, Château-Guibert et Bournezeau... Je pensais être au calme, mais voilà qu'il me faut défendre le cadre de vie où je me suis réfugié

Triton | 12 janvier 2016 à 10h56
 
 

Effectivement je ne suis pas non plus convaincu que ce type d'article (au demeurant extrêmement intéressant pour un ingénieur) ait bien sa place dans cette newsletter.

Levieux | 12 janvier 2016 à 11h45
 
 

C'est gonflé et malhonnête de "vendre" cet article en prétendant que la lutte contre le réchauffement climatique (traitée en COP21) passe par la décarbonation de l'électricité, et cette dernière par les éoliennes.
Triple mensonge, car :
- l'électricité ne représente que 25% de l'énergie consommée
- en France elle est produite par du nucléaire et de l'hydraulique à 95%, donc elle est déjà décarbonée !
- les éoliennes sont intermittentes et ne peuvent contribuer que modestement à la production d'électricité, et surtout à un prix élevé (masqué aujourd'hui par les subventions), avec un gain écologique nul (cf ci-dessus).
En bref cet article sur les roulements est déplacé et sans intérêt.
De plus les générateurs modernes sont conçus sans multiplicateur, le nombre de pôles de l'alternateur permettant la production d'énergie électrique à faible vitesse de rotation.

stud38 | 13 janvier 2016 à 10h55
 
 

Les éoliennes ne constituent certes pas la panacée, mais représentent quand même une des solutions majeures dans la lutte contre la décarbonation. Et qui sera d'autant plus majeure que l'on travaillera sur le stockage de l'énergie (là, on n'y met certainement pas l'énergie que l'on devrait y mettre...). Et, pour cela, nous avons besoin de faire un travail de fond sur l'optimisation industrio-technico-économique de tous les éléments de ces éoliennes, et les améliorer. Certes, d'aucuns jugerons que ce sont de basses besognes qui ne sont pas dignes d'eux, mais, c'est un travail NOBLE ET INDISPENSABLE. Sinon, nous resterons condamnés au choix pétrole-nucléaire pas de chauffage ni de transports, si nous ne voulons pas engloutir en une génération toutes les réserves de la planète , et désirons laisser à nos enfants de quoi vivre décemment .

Gilles d'Unieux et d'Hagondange | 15 mars 2016 à 16h29
 
 

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