Composants de turbine : roulements

Aug 24, 2023

Par Joshua Smalley | 16 juin 2015

Photo publiée avec l'aimable autorisation de Timken

Où sont utilisés les roulements dans une éolienne ?

Bien que les roulements soient utilisés à de nombreux endroits dans une nacelle, comme dans les roulements de lacet et de tangage et sur les générateurs, ceux des arbres principaux et des boîtes de vitesses sont les plus problématiques.

Dans les roulements d'arbre principal, les conceptions d'éoliennes modulaires utilisent généralement des unités de roulements à rouleaux sphériques (SRB) de plus de 1 m de diamètre. Les concepteurs sélectionnent souvent des conceptions SRB uniques, une supportée par un seul palier principal et deux bras de couple qui supportent les charges de réaction de la boîte de vitesses.

Au moins deux facteurs contribuent aux défaillances précoces des roulements de l'arbre principal. L'un est la charge axiale élevée sur un SRB radial. 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. La seconde est une génération de film lubrifiant inadéquate. Généralement, 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 la surface d'appui et la génération du film lubrifiant peuvent être insuffisantes pour séparer les aspérités du rouleau à la piste.

Une conception d'arbre principal à roulements à rouleaux coniques (TRB) avec précharge peut également améliorer 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. Cette conception permet plusieurs configurations.

Dans l'un, un roulement à rouleaux coniques simple répandu offre une conception économique qui peut précharger un système entier avec deux TRB différents. Une série de roulements au vent et sous le vent peut alors s'adapter à la charge d'application en ajustant l'angle de contact et la capacité portante selon les besoins. Avec un centre effectif répandu, les roulements sont généralement plus compacts.

Une autre configuration sur le roulement à rouleaux coniques de grand diamètre utilise une entretoise entre les courses coniques. Cette option est devenue attrayante en raison de ses performances sur le terrain et de sa facilité d'assemblage. Les angles de course raides créent une rigidité élevée au basculement dans un espace axial court pour contrer les moments de tangage et de lacet appliqués. Des composants de roulement séparés peuvent inclure des joints et de la graisse pour simplifier la manipulation et l'installation. Une précharge réglée en usine garantit un réglage correctement monté.

Dans une troisième configuration, un seul roulement à rouleaux coniques préchargés, offre une capacité de charge élevée et gère la combinaison des charges de poussée radiale par rapport à un seul SRB. La précharge unique assure le partage de la charge sur les deux rangées de roulements et tolère un plus grand désalignement du système par rapport à la conception avec l'espace entre les courses de cône.

Les roulements sont également utilisés dans les boîtes de vitesses des éoliennes. Une société de services affirme que certains modèles de boîtes de vitesses présentent une faiblesse de conception particulière : l'utilisation d'un roulement cylindrique à quatre rangées avec une bague entièrement trempée dans les engrenages planétaires. Il ne s'agit pas d'une configuration de roulement optimale pour l'application. La société ajoute que lors de la refabrication d'une telle boîte de vitesses, il est préférable d'utiliser un roulement à bague intérieure cémenté avec des rouleaux revêtus. Le revêtement ici est également la version carabine en tungstène.

De plus, la modification du jeu sur les rangées individuelles améliore le partage de la charge, permettant ainsi un roulement plus performant. Cela peut également empêcher les défaillances courantes des fissures de boîtier dues aux débris qui s'accumulent au fond d'une boîte de vitesses. Il est également nécessaire d'utiliser des roulements cémentés et revêtus dans les positions haute vitesse et intermédiaire. Ces mises à niveau simples peuvent considérablement améliorer les performances globales de la boîte de vitesses, entraînant une prolongation significative de la durée de vie.

La fiabilité des boîtes de vitesses s'est remarquablement améliorée au cours des 10 dernières années grâce à une meilleure compréhension des charges des roulements. Une entreprise garantit ses boîtes de vitesses reconstruites pendant cinq ans, contre seulement deux ans pour certaines garanties OEM. Les tendances en matière de reconception des roulements d'arbre principal et de boîte de vitesses ont été motivées par des défaillances inattendues de ces unités. Le remplacement imprévu d'un roulement d'arbre principal peut coûter jusqu'à 450 000 $ aux opérateurs et avoir un impact évident sur les performances financières.

Par : Paul Dvorak, Ingénierie et développement de l'énergie éolienne