Les roulements de rotor améliorés offrent un vent amélioré

Sep 02, 2023

Par WPED Contributeur | 30 août 2019

Par Andreas Bierlein, Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG et Antonio Silverio, Schaeffler Group USA Inc.

Dans un effort pour augmenter la fiabilité, la durabilité et l'efficacité des éoliennes, Schaeffler a mis à jour toute sa gamme de roulements à rouleaux sphériques (SRB) pour l'arbre du rotor de la turbine.

En utilisant des données compilées à partir de 10 000 éoliennes, une enquête approfondie a été réalisée sur plusieurs modèles de dommages et des contre-mesures et solutions appropriées ont été développées. Ces nouvelles conceptions SRB offrent une résistance élevée à l'usure et un couple de frottement et des températures de fonctionnement considérablement inférieurs, prolongeant ainsi considérablement la durée de vie de la turbine.

Les roulements d'arbre de rotor sont soumis à une gamme de charges dynamiques, en particulier des charges axiales élevées.

Conception robusteParce que le roulement du rotor est un composant essentiel à l'intérieur des éoliennes, Schaeffler a considérablement optimisé sa gamme de SRB standard pour améliorer encore leurs performances.

Les améliorations de conception initiales se sont concentrées sur deux domaines : La première étape consistait à modifier les profils des rouleaux et des chemins de roulement pour obtenir les contraintes de contact les plus faibles, même dans les conditions les plus extrêmes. La deuxième étape consistait à concevoir une nervure centrale pour la bague intérieure qui augmente la rigidité axiale et réduit considérablement le déplacement axial excessif du rouleau, qui est l'un des principaux contributeurs à l'usure prématurée observée sur tous les rouleaux et chemins de roulement.

Ces nouvelles conceptions SRB ont passé avec succès une gamme complète de tests dans le cadre de leur validation pour le label de qualité Schaeffler "X-life". Les étapes de validation requises pour cela ont été certifiées par l'organisme de certification allemand pour le vent, Germanischer Lloyd (certificat GL GL-CER-002-2015). Une conception brevetée de roulement à rouleaux sphériques asymétriques (ASRB) a également été développée pour améliorer encore l'efficacité de la turbine.

L'ASRB augmente considérablement la capacité de charge axiale tout en obtenant une répartition interne plus équilibrée de la charge entre les deux rangées de rouleaux. La répartition améliorée de la charge entre les rangées de rouleaux offre une résistance accrue contre la déformation plastique et prolonge considérablement la durée de vie des roulements.

Doté de deux angles de contact différents, l'ASRB a une double capacité de charge. Les charges axiales sont supportées par le côté de la rangée à angle de contact plus élevé (sous le vent), tandis que les charges radiales sont supportées principalement par le côté de la rangée à angle de contact inférieur (au vent).

Enquête sur les données d'exploitation Au cours de l'enquête sur les roulements défectueux, il a été noté qu'un pourcentage important de défaillances se produisait principalement dans les roulements de positionnement des systèmes d'arbre de rotor de support à 3 points et à 4 points. De plus, la plupart des dommages étaient concentrés sur la rangée chargée axialement (sous le vent) des roulements de positionnement. Les dommages, qui se sont avérés être principalement au niveau de la surface, sont classés conformément à la norme ISO15243 comme étant soit une fatigue survenant près de la surface (détérioration de la surface), soit une usure par abrasion.

Le roulement à rotule sur rouleaux asymétrique innovant de Schaeffler génère des déplacements axiaux plus faibles, ce qui diminue considérablement le risque d'endommagement des rouleaux et des chemins de roulement.

L'usure par abrasion des paliers principaux d'éoliennes fonctionnant dans des conditions aléatoires est déjà un problème largement reconnu. Ce type de dommage est principalement causé par la variation de la vitesse de l'arbre et des charges qui peuvent conduire à un film lubrifiant très mince ou inexistant. Si le film lubrifiant de séparation entre les surfaces du rouleau et des chemins de roulement se dégrade, il en résultera des micropiqûres, des bavures et, éventuellement, des dommages importants au niveau de la surface.

Une batterie complète de simulations de tests internes a été réalisée pour définir la meilleure solution aux modèles de dommages trouvés près de la surface. Plusieurs caractéristiques pertinentes des roulements ont été identifiées, simulées et testées avec des outils et des équipements de test à la pointe de la technologie. Diverses solutions ont été imaginées et mises en œuvre pour réduire, voire éliminer, l'usure de surface causée par les conditions limites de lubrification.

L'une des premières contre-mesures a été de développer et de valider un lubrifiant formulé avec les propriétés de charge appropriées pour une variété de conditions de fonctionnement, y compris des vitesses d'arbre faibles et des charges extrêmes. Outre l'amélioration des conditions de lubrification, l'accent a été mis sur l'optimisation de la conception des roulements avec des améliorations telles que des limites de finition de surface extrêmement strictes et des revêtements de rouleaux spéciaux. Enfin, toutes les étapes de fabrication et les processus de production ont été réévalués et optimisés.

L'installation d'un roulement à rotule sur rouleaux asymétrique permet de réduire de 70 % les efforts axiaux sur les roulements du porte-satellites de la boîte de vitesses.

Le résultat : de nouvelles conceptions SRB qui offrent une bien plus grande résistance à l'usure causée par de mauvaises conditions de lubrification ou même des contaminants particulaires.

Améliorations de la conceptionComme mentionné ci-dessus, la conception du SRB standard a été optimisée en améliorant la qualité de la finition de surface.

D'autres améliorations de conception ont inclus :

En plus d'optimiser ses conceptions standard existantes, Schaeffler a développé et breveté une solution de roulement entièrement nouvelle pour les roulements d'arbre principal dans les éoliennes : le roulement à rotule sur rouleaux asymétrique. Avec ses différents angles de contact, cette innovation de conception améliore la répartition de la charge entre les deux rangées de roulements, réduit la pression de contact et le couple de frottement, et augmente la rigidité axiale d'environ 50 %.

La rigidité axiale accrue se traduit par une réduction drastique du déplacement axial de l'arbre principal, moins de glissement axial et de patinage des rouleaux, et une fiabilité accrue pour les roulements de la boîte de vitesses et les supports en élastomères du bras de couple. D'autres améliorations peuvent être réalisées en appliquant des revêtements optionnels tels que le revêtement de carbone de type diamant Triondur C sur les rouleaux pour la résistance à l'usure ainsi que le revêtement de chrome Durotect CK appliqué sur la bague intérieure pour éviter la corrosion par frottement.

Validation La nouvelle conception ASRB de Schaeffler a été soumise à une batterie complète de tests de validation, à la fois en interne et sur le terrain. Par rapport à la conception standard, les résultats des tests sur l'ASRB ont confirmé une réduction de 50 % du déplacement axial, une meilleure répartition de la charge des rouleaux sur les deux rangées de roulements, une réduction de 70 % des forces transmises aux roulements du porte-satellites de la boîte de vitesses et une augmentation de 67 % dans la durée de vie.