Augmentation de la fiabilité des roulements dans le système de support de l'arbre principal

Sep 04, 2023

Par Nic Sharpley | 21 Janvier 2014

L'arbre principal d'une éolienne nécessite un roulement fiable pour fonctionner. Certaines conceptions de roulements sont connues pour échouer prématurément, ce qui entraîne des réparations d'entretien coûteuses. Les mises à niveau et les avancées récentes dans la conception des roulements augmentent la fiabilité et garantissent la stabilité de l'arbre principal.

Bradley Baldwin • Directeur général de l'énergie éolienne • Timken • www.timken.com

Le SRB résistant à l'usure de Timken réduit les contraintes de cisaillement et les interactions d'aspérité qui protègent contre l'usure, comme les micropiqûres.

Les conceptions d'éoliennes modulaires utilisent généralement des roulements à rouleaux sphériques (SRB) pour supporter et supporter les charges de l'arbre principal. La conception SRB unique, connue sous le nom de montage à 3 points qui est supportée par un seul palier principal et deux bras de couple réactifs de la boîte de vitesses, est généralement sélectionnée pour permettre :

• Un ensemble de nacelle plus court• Déviation et désalignement élevés du système• Une chaîne d'approvisionnement commercialement économique

Malheureusement, certains opérateurs ont connu des pannes sur le terrain beaucoup plus tôt que prévu avec certaines conceptions SRB uniques, ce qui a considérablement réduit la durée de vie. Le remplacement non planifié des roulements de l'arbre principal peut coûter jusqu'à 450 000 $ aux exploitants de parcs éoliens et avoir un impact évident sur les performances financières.

Facteurs contributifs Charge axiale élevée sur un roulement radial SRB : Bien qu'il n'y ait pas de limite maximale officielle, un rapport conventionnel de poussée admissible sur charge radiale pour les roulements à rotule sur rouleaux à deux rangées se situe entre 0,15 et 0,20. Par conséquent, la charge axiale ne doit être que de 15 à 20 % de la réaction radiale du roulement à deux rangées. Dans certaines applications, ce rapport peut s'étendre jusqu'à 0,30 ou 0,35. Lorsque cela se produit, différents modes d'endommagement apparaissent et sont liés au décollement de la rangée de roulements. Ce décollement peut affecter la répartition de la charge entre les rangées, l'inclinaison des rouleaux, les contraintes de retenue, la génération de chaleur excessive et le maculage des rouleaux. En position fixe arbre principal, ce rapport est souvent voisin de 0,60 ce qui fait qu'une seule des deux rangées supporte l'effort radial et axial. Avec cette réaction inégale, le roulement peut ne pas fonctionner comme prévu ou conçu à l'origine.

La conception SRB à montage en 3 points prend en charge le roulement d'arbre principal et deux bras de couple réactifs sur la boîte de vitesses.

Génération de film lubrifiant inadéquate : D'une manière générale, les conditions de fonctionnement du roulement de l'arbre principal ne sont pas idéales pour la génération d'un film lubrifiant. Avec une vitesse de fonctionnement maximale d'environ 20 tr/min, la vitesse de surface du roulement et la génération de film lubrifiant peuvent être insuffisantes pour maintenir les aspérités entre le rouleau et la piste séparées. De plus, les changements de moment de tangage et de lacet modifient constamment et presque instantanément l'emplacement et la direction de la zone de charge. Cela interrompt la formation et la qualité du film lubrifiant. Le changement de vitesse est accéléré dans les SRB à montage en 3 points, qui fonctionnent avec un jeu radial, et augmentent le risque de micropiqûres ou de bavures.

Une répartition inégale de la charge se produit lorsque le rapport de charge poussée sur charge radiale admissible pour les roulements à rotule sur rouleaux à deux rangées dépasse 0,15 à 0,20. La rangée d'appui au vent devient non assise et seule la rangée sous le vent supporte la charge.

Concevoir des solutions pour améliorer les performancesHeureusement, il existe des mises à niveau facilement disponibles sur le marché pour les turbines existantes, ainsi que des solutions de conception technique plus sophistiquées pour les plates-formes de turbines plus récentes.

Aux premiers stades de l'usure du SRB à montage en 3 points, la trajectoire d'usure distincte dans la rangée sous le vent peut éroder la géométrie de contact conçue, entraînant des contraintes de piste plus élevées que prévu et des défaillances potentielles des roulements.

Améliorations SRB pour les turbines existantes Pour un échange direct avec les flottes existantes, une entreprise propose un SRB résistant à l'usure qui utilise une technologie de surface d'ingénierie en combinaison avec des finitions de surface améliorées. Les roulements résistants à l'usure augmentent la protection des chemins de roulement contre les micropiqûres en réduisant les contraintes de cisaillement et les interactions d'aspérité. La surface machinée est un carbure de tungstène durable et unique, revêtement d'hydrocarbure amorphe (WC/aC:H). Généralement, les revêtements WC/aC:H sont modérément plus durs que l'acier HRC60, 1 à 2 micromètres d'épaisseur, et ont de faibles coefficients de frottement lorsqu'ils glissent contre l'acier. La surface d'ingénierie avancée sur les rouleaux polit et répare les chemins de roulement endommagés pendant le fonctionnement. Avec des finitions de surface améliorées, le film lubrifiant augmente l'épaisseur, aidant à améliorer les contacts d'aspérité. La surface usinée réduit les interactions d'aspérité et les contraintes de cisaillement de surface qui provoquent l'usure. Les avantages se traduisent par une durée de vie calculée accrue des roulements et également par une réduction du couple de roulement.

Les angles de course raides d'un TDO créent une rigidité d'inclinaison élevée dans un espace axial court pour contrer les moments de tangage et de lacet appliqués. Le roulement peut également agir comme une seule unité en ajoutant des joints et de la graisse.

Avantages des conceptions de roulements à rouleaux coniques (TRB) Une conception d'arbre principal TRB et des caractéristiques de précharge améliorent les performances du groupe motopropulseur. Les TRB aident à assurer la stabilité et la rigidité du système, le partage de la charge entre les rangées et les interactions prévues entre le rouleau et la course. La conception permet également plusieurs configurations de roulements à rouleaux coniques.

Roulements à rouleaux coniques simples (2-TS) Le style 2-TS répandu offre une solution conique économique qui peut précharger un système entier avec deux TRB dissemblables. Les séries de roulements au vent et sous le vent sont ensuite conçues pour s'adapter à la charge d'application en ajustant l'angle de contact et la capacité portante selon les besoins. Avec le centre effectif généralisé, les roulements sont généralement plus compacts et économiques.

Contrairement à une conception SRB unique, le TDI peut supporter des capacités de charge élevées et assure une répartition uniforme de la charge qui réduit l'usure.

Conceptions de roulements à rouleaux coniques à double rangée (TNA, TDO ou TDI) Le roulement TNA de grand diamètre, également appelé TDO lorsqu'une entretoise est utilisée entre les pistes coniques, est devenu une option attrayante en raison de ses performances sur le terrain et de sa facilité de montage. Les angles de course raides créent une rigidité de basculement élevée dans un espace axial court pour contrer les moments de tangage et de lacet appliqués. Des composants de roulement séparés peuvent être unitisés avec des joints et de la graisse pour simplifier la manipulation et l'installation. La précharge réglée en usine assure un réglage correctement monté. La construction axiale compacte offre aux concepteurs de turbines la possibilité de réduire la longueur totale de la nacelle. Le roulement augmente de diamètre à mesure que la taille de la turbine augmente (environ 3,2 m de diamètre extérieur pour 5 MW). Ces conceptions sont particulièrement adaptées aux éoliennes à entraînement direct, mais se retrouvent également dans les conceptions à engrenages.

Un seul TDI préchargé offre une capacité de charge élevée et gère la combinaison des charges radiales et axiales par rapport à un seul roulement à rotule sur rouleaux. Le TDI assure le partage de la charge sur les deux rangées de roulements et tolère un plus grand désalignement du système par rapport à une conception TDO. De plus, la précharge des roulements aide à atténuer les bavures, les dérapages et les micropiqûres. Dans certains cas, un TDI est directement échangé avec le SRB sur les turbines de style modulaire.

Le montage de roulements d'arbre principal 2-TS offre une solution conique économique dans une conception compacte.

Initiés par l'exigence d'améliorer la durabilité globale, les équipementiers d'éoliennes et les fabricants de roulements travaillent à la conception de systèmes d'arbres principaux plus fiables. Les progrès de l'ingénierie ont propulsé des mises à niveau des conceptions de turbines sphériques à montage en 3 points existantes. De plus, les exigences de fiabilité des turbines offshore ont augmenté l'utilisation de roulements à rouleaux coniques préchargés. Ces améliorations de la conception de l'arbre principal peuvent accroître la fiabilité de l'ensemble du système de transmission et entraîner une baisse globale du coût total de possession.WPE

Contributions supplémentaires : Tony Fierro, Jerry Fox, Laurentiu Ionescu et Thierry Pontius, tous de Timken.