Philipp Schmid, expert SKF, explique comment l’industrie travaille à augmenter la puissance des éoliennes et à améliorer la durée de service et la fiabilité des trains de transmission et des roulements.

Chaque année depuis 2012, des éoliennes offshores sont mises en service dans les eaux européennes, produisant désormais un total de 1 GigaWatt (GW). Selon WindEUROPE, en 2016, l’énergie de ces éoliennes installées directement dans des plans d’eau a fourni 1 558 MW nets supplémentaires de capacité de connexion au réseau.

En dépit des contraintes liées à la construction des éoliennes offshore, on prévoit une augmentation de la capacité installée, car les sites adaptés sur terre ferme se raréfient et le vent en mer est plus régulier. Cela profite davantage aux exploitants grâce à une production énergétique plus élevée.

Selon WindEUROPE, en 2016, la production énergétique moyenne par éolienne offshore installée était de 4,8 MW.  Les éoliennes d’une capacité de 9 MW ou plus sont désormais en phase de lancement, comme le montre le développement de la V164-9,5 MW de Vestas. Les éoliennes offshores ont tendance à avoir des pales plus longues, ce qui engendre des forces plus importantes sur le « Drive Train » qui risque d’être davantage endommagé, ainsi que les roulements, à cause de la corrosion liée à l’environnement marin.

Une maintenance plus difficile que des éoliennes classiques

Réaliser la maintenance offshore est difficile, potentiellement dangereux et très coûteux. Les exploitants souhaitent donc réduire la fréquence des visites de maintenance, ce qui impose des demandes considérables sur les roulements de rotor : ils doivent continuer de fonctionner de manière fiable dans ces conditions sévères pendant de longues périodes.

Il existe quatre types de concepts de roulements courants pour les arbres de rotor d’éolienne. Le premier est un concept de suspension à deux points avec un rouleau toroïdal sur le côté rotor et un roulement à rotule sur rouleaux sur le côté générateur. Ceci est utilisé, par exemple, pour les éoliennes de 6 MW. Pour les classes de performance plus élevées, l’usage actuel est d’utiliser le montage de roulement « rigide », muni d’un palier fixe et non fixe, combinant un roulement à rouleaux cylindriques et un roulement à rouleaux coniques à deux rangées. Il est aussi possible d’utiliser un roulement sur mesure qui combine les deux en un roulement, comme le Nautilus de SKF, ou des ensembles 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.

Les cages de roulement, par exemple, sont généralement usinées en laiton ou construites en tôle métallique, y compris pour les roulements de dimensions supérieures. Dans la mesure du possible, les cages sont installées en un bloc. Pour les roulements de dimensions supérieures, elles peuvent toutefois être composées de rangées de segments, qui sont 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 service du roulement – un enjeu crucial dans le cas des éoliennes.

Un traitement chimique qui réduit les risques de défaillance  

Récemment, des avancées technologiques ont aussi été faites dans le domaine des roulements de boîte de vitesses. Ces développements sont désormais exploités dans la conception des boîtes de vitesses d’éoliennes offshore nouvelle génération. L’une des avancées les plus importantes est le brunissage de la piste : un processus de traitement chimique de la surface qui produit une couche sombre sur la surface de l’acier des roulements.

Comparés aux roulements non traités, ces roulements brunis apportent de nombreux avantages aux applications pour éoliennes : réduction des risques de défaillances prématurées causées par les fissures de phase blanche (« White Edging cracks »), plus grande résistance aux composants agressifs de certains lubrifiants, réduction de la perméation d’hydrogène et plus grande résistance à la corrosion. De plus, les surfaces de roulements brunis engendrent moins de frottement, une réduction du risque de dégâts de saccades et une plus grande tolérance à la mauvaise lubrification de roulements.

Se prémunir des effets de l’électricité en milieu marin

En plus de toutes les contraintes mécaniques et environnementales que les roulements doivent surmonter dans l’environnement offshore, ils doivent aussi pouvoir supporter les potentiels effets néfastes des courants électriques élevés. Par exemple, les génératrices d’éoliennes sont équipées de convertisseurs de fréquence, qui posent des problèmes sur les roulements. Les tensions de sortie CA triphasées du convertisseur prennent la forme d’une série d’impulsions rectangulaires, plutôt que de véritables ondes sinusoïdales, ce qui fait que le total de ces tensions n’est pas zéro et qu’il y a une tension en mode commun. Cette tension en mode commun peut entraîner des courants de fuite vers le rotor de la génératrice, à travers ses roulements, ce qui endommagerait les pistes et compromettrait les propriétés du lubrifiant. Afin d’empêcher le passage de ces courants de fuite, les éléments roulants des roulements de génératrice sont construits à partir de matériaux céramiques, qui en plus de leur propriété isolante, permettent un fonctionnement à grande vitesse – considérablement plus élevée que ce qui est possible avec les roulements à billes en acier équivalents. Outre les éléments roulants non conducteurs, les roulements sont également disponibles avec des bagues à revêtement en céramique, qui fournissent une isolation supplémentaire, afin de prolonger la durée de service du roulement.

Jusqu’à présent, nous avons examiné les roulements servant le rotor principal et la génératrice de l’éolienne. La capacité de la nacelle de turbine à s’aligner selon la direction du vent est aussi importante que celle des pales à « s’effacer » en réponse à la vitesse du vent. Ces fonctions sont prises en charge par les roulements d’orientation, qui sont aussi devenus plus grands pour accompagner l’augmentation de la capacité de puissance des éoliennes. Les roulements à quatre points de contact sont normalement déployés dans les mécanismes d’effacement de pale, alors que les roulements de la tour sont généralement des roulements à quatre points de contact à une rangée. Ces roulements sont galvanisés pour éviter la corrosion et disposent de joints spéciaux pour fonctionner en conditions climatiques extrêmes de l’environnement offshore.

Un banc d’essai pour le futur 

Étant donné que la production des éoliennes offshore à multi-mégawatts devrait atteindre la limite actuelle de 10 MW dans un futur proche, les roulements décrits ci-dessus seront soumis à des forces encore plus importantes. Pour se préparer à cela, SKF a construit une installation d’essai à Schweinfurt, qui peut soumettre les roulements d’un diamètre extérieur allant jusqu’à 6 m, à des forces qu’ils rencontreront probablement dans l’environnement offshore. Ce banc d’essai peut tester les roulements principaux individuels et les ensembles de roulements complets, pour permettre aux futures générations de roulements de dimensions supérieures d’être conçues plus rapidement, puis testées dans des conditions plus réalistes que jamais auparavant.