Sélection des roulements et calculs pour les centrales éoliennes

Les exigences imposées aux roulements pour les centrales éoliennes sont extrêmement élevées. Par conséquent, les procédures de sélection des roulements et les calculs de durée de vie sont fondamentalement différentes de la sélection de roulements dans d'autres domaines d'application.

Lors de la sélection de roulements à usage industriel, les ingénieurs concepteurs peuvent choisir des roulements pour un emplacement de roulement défini relativement facilement, en travaillant avec leurs fournisseurs si nécessaire, et en basant leurs décisions sur des paramètres tels que la vitesse et le couple de rotation, les charges radiales et axiales, et la rigidité et la précharge ou le jeu requis. La large gamme proposée par des fournisseurs complets tels que NSK signifie que le bon roulement est toujours disponible, même pour des applications inhabituelles ou des conditions de fonctionnement spéciales. Si ce n'est pas le cas, des roulements spéciaux personnalisés peuvent également être utilisés.

Exigences requises
Dans la technologie éolienne, les procédures menant au choix d'un roulement sont fondamentalement différentes, essentiellement à cause d'un seul paramètre :la durée de vie du roulement. Les fabricants de centrales éoliennes et les engrenages de ces centrales exigent une durée de vie des roulements de 20 ans (soit 175 000 heures) pour leurs roulements. C'est déjà une valeur extrême, mais elle ne couvre pas toutes les exigences. De plus, il faut tenir compte du fait que les charges externes agissant sur le roulement sont très dynamiques (c'est-à-dire irrégulières) à cause du vent. Les conditions environnementales défavorables aux installations offshore, de plus en plus utilisées, sont un autre facteur :l'air marin est très corrosif. Pour les centrales électriques, la corrosion électrique doit également être prise en compte. Enfin, les options de service disponibles pour les exploitants de parcs éoliens sont extrêmement limitées, et tout temps d'arrêt imprévu pour un roulement entraînera des coûts importants.

L'importance de calculer la durée de vie
Le seul calcul de la durée de vie de ce type de roulement nécessite une grande expertise. C'est pourquoi le choix des roulements pour les centrales éoliennes est plus complexe que dans d'autres domaines d'utilisation. De nombreux paramètres doivent être pris en compte. Outre les charges de roulement et les vitesses de rotation dans le contexte de l'application, les ingénieurs concepteurs doivent tenir compte de la construction dans laquelle le roulement sera placé, c'est-à-dire la configuration de l'arbre et du boîtier, leurs matériaux et leurs tolérances.

Sur la base de ces données, les calculs conventionnels et standardisés sont d'abord effectués conformément à la norme DIN ISO 281, également connue sous le nom de méthode du catalogue. Les paramètres sont la charge de roulement, la vitesse de rotation, la capacité de charge et le type de roulement. Dans les calculs ultérieurs, des paramètres tels que la température, la lubrification et la pureté de l'huile sont également pris en compte.

Précision supérieure à celle requise par la norme
L'annexe 4 de la norme DIN ISO 281 suppose une géométrie de roulement simplifiée comme base de calcul de la durée de vie de référence modifiée. Dans la plupart des cas, ce type de calcul est adéquat. Cependant, dans l'industrie éolienne, des valeurs plus précises sont préférées. NSK a développé son logiciel STIFF à cet effet. Lors du calcul de la durée de vie du roulement, STIFF prend également en compte la géométrie interne exacte, le jeu de fonctionnement et la précharge, la déformation du système arbre-roulement, ainsi que la zone de charge et la répartition de la charge entre les éléments roulants et le chemin de roulement.

Dans ce modèle, les éléments roulants sont divisés en tranches. Une durée de vie individuelle et modifiée du roulement de référence est déterminée pour chaque tranche. Une indication plus réaliste de la durée de vie totale du roulement est obtenue en fonction de la part de temps pour chaque cas de charge.

Optimisation de la conception ciblée
Outre un calcul rapide et précis de la durée de vie des roulements, le logiciel STIFF permet également des analyses de versions à court terme et ainsi une optimisation des conceptions existantes. De plus, des adaptations spéciales du roulement peuvent être testées rapidement. Cet avantage particulier est fréquemment exploité :les roulements personnalisés sont souvent utilisés dans la technologie éolienne précisément en raison des exigences rigoureuses. De plus, les prédictions de rigidité, l'estimation de la perte d'efficacité et l'investigation de la sécurité de fonctionnement font partie des objectifs de calcul poursuivis par l'unité NSK Wind Energy lors de la sélection des roulements.

L'ingénierie au premier plan :coopération intensive avec les clients
Compte tenu de la quantité de données à prendre en compte dans ce domaine et des exigences élevées de durée de vie des roulements, il n'est pas surprenant que de tels projets soient toujours exécutés en étroite collaboration avec le client. Outre l'ingénierie, les tests jouent également un rôle important. NSK a conçu des bancs d'essai de roulements qui permettent de simuler des charges et des mouvements dynamiques. Ceux-ci incluent, par exemple, un grand banc d'essai de roulement capable d'appliquer des forces et des moments dynamiques de la charge du rotor, et un banc d'essai pour simuler les procédures d'accélération et de décélération et de freinage pour les roulements à rouleaux à rotation rapide.

Technologie Super-TF pour la technologie éolienne
Outre le choix de la conception du roulement, le choix du matériau joue également un rôle crucial :une durée de vie du roulement de 175 000 heures, par exemple, dans des conditions défavorables et des charges dynamiques ne peut être obtenue qu'en utilisant des matériaux spéciaux. C'est pourquoi NSK s'est appuyé sur ses nombreuses années d'expertise en matière de matériaux pour développer des matériaux spéciaux adaptés aux conditions de fonctionnement extrêmes. L'un de ces développements est la technologie Super-TF. Cette technologie déploie un acier à roulement de haute pureté associé à une technologie de traitement thermique spéciale, garantissant une teneur en austénite conservée optimisée. Ce matériau garantit que toute matière étrangère qui pénètre dans le roulement génère moins de contraintes dans le matériau que dans l'acier conventionnel. En conséquence, les dommages causés par les impuretés se produisent moins fréquemment.

Les roulements fabriqués à partir de ce matériau et utilisés avec un lubrifiant propre ont une durée de vie environ deux fois plus longue. La technologie Super-TF peut être utilisée pour une large gamme de types de roulements, tels que les roulements à rouleaux cylindriques, qui sont parmi les types de roulements les plus fréquemment utilisés dans la technologie éolienne, ainsi que pour les roulements à rouleaux coniques et sphériques.

Différents types de roulements
Dans les centrales éoliennes modernes des classes mégawatt et multi-mégawatt, les engrenages planétaires à plusieurs étages et les engrenages différentiels assurent principalement la réduction de vitesse nécessaire du groupe motopropulseur principal. Dans ce cas, les ingénieurs concepteurs doivent non seulement sélectionner le type de roulement approprié, mais également déterminer le type de disposition des roulements. Des ensembles de roulement avec des roulements fixes et à extrémité libre, un ensemble de roulement ajusté ou un ensemble de roulement flottant sont disponibles.

Chaque type de roulement présente certains avantages et inconvénients. Un ensemble palier ajusté qui permet un guidage précis de l'arbre, notamment dans le sens axial, risque donc de se mettre en tension réciproque. Par conséquent, les types d'assemblage de roulements tels que les roulements à rouleaux coniques, qui permettent aux forces axiales d'être adaptées dans au moins une direction avec les forces radiales, doivent être sélectionnés ici. Il en va de même pour les paliers flottants, dans lesquels l'arbre peut se déplacer axialement sur une certaine distance. Les ensembles de roulements fixes et flottants sont utilisés, par exemple, dans les conceptions de roulements pour porte-satellites et roues planétaires.

Nouveaux designs pour les engrenages principaux
En plus de la tendance à des performances de plus en plus élevées et aux installations offshore, les nouvelles conceptions d'entraînement et d'engrenage présentent également de nouveaux défis aux ingénieurs de conception. NSK travaille en étroite collaboration avec les fabricants de centrales éoliennes et de leurs composants d'entraînement. L'objectif est d'aider à développer rapidement de nouvelles conceptions (qui augmentent l'efficacité des éoliennes ou réduisent le poids de la nacelle, par exemple) pour le marché et de donner à leurs utilisateurs un avantage concurrentiel. NSK a l'avantage de plus de 20 ans d'expérience dans le développement de roulements pour l'industrie éolienne, un avantage qui profite également aux utilisateurs de roulements en dehors du secteur éolien.

Pour plus d'informations sur les produits et services NSK, visitez www.nsk.com.