Par le Dr John Coultate, chef du développement de l’ingénierie
& Mike Hornemann, ingénieur en fiabilité
Romax InSight

Une explosion du passé. Voici un exemple de conception de boîte de vitesses à 2 étages parallèles, typique d’une éolienne du milieu des années 1990.

A mesure que les éoliennes à usage collectif se sont développées, passant de la classe des kilowatts aux machines de plusieurs mégawatts installées aujourd’hui, les composants à l’intérieur d’une nacelle ont également évolué pour répondre aux nouvelles demandes de puissance.

Les transmissions, en particulier, ont dû changer de manière significative pour répondre à des charges de vent plus fortes et plus variables et à des niveaux de puissance plus élevés – et sans augmentation significative des coûts. Les ingénieurs ont donc relevé le défi et les fabricants ont répondu à l’appel.

Ce qui était autrefois une boîte de vitesses industrielle prête à l’emploi est maintenant conçu de manière unique pour répondre aux conditions difficiles typiques d’une turbine de plusieurs mégawatts. Une turbine à engrenages moderne possède généralement un réducteur à 3 étages avec un étage planétaire à faible vitesse et deux étages parallèles. En utilisant des engrenages planétaires, les concepteurs ont créé des boîtes d’engrenages à haute puissance qui sont suffisamment durables pour résister à des charges difficiles, mais suffisamment compactes pour maintenir une taille de nacelle raisonnable.

Cette conception de boîte d’engrenages s’est également avérée économique pour les turbines dont la puissance est comprise entre 500 kW et 2,5 MW. Cependant, la longévité est le seul défi encore non relevé dans l’industrie des boîtes de vitesses pour éoliennes. Les boîtes de vitesses des turbines ont généralement une durée de vie nominale de 20 ans, mais peu d’entre elles dépassent la barre des 10 ans.

Pourquoi cet écart ? Une partie de la réponse réside dans la façon dont les durées de vie des engrenages et des roulements sont définies. La durée de vie d’un composant de boîte de vitesses est stochastique, et non déterministe. Cela signifie qu’il est impossible de prédire avec précision quand un composant va tomber en panne, même s’il est possible d’estimer la probabilité compte tenu de certains paramètres.

Une conception moderne. Cette conception à 3 étages (planétaire / parallèle / parallèle) est commune aux boîtes de vitesses plus récentes.

N’oubliez pas que les chaînes cinématiques des éoliennes subissent une charge transitoire sévère et variable pendant les démarrages, les arrêts, les arrêts d’urgence et les connexions au réseau. La charge d’une éolienne dépend de son emplacement dans le parc éolien et du terrain. Les cas de charge qui entraînent des inversions de couple peuvent être particulièrement dommageables pour les roulements car les rouleaux peuvent déraper lors du déplacement soudain de la zone chargée. Le micropitting, une forme de fatigue de surface, est un exemple de dommage dans les roulements qui peut affecter sa longévité.

La durée de vie d’un roulement est généralement définie comme la durée ‘L10’, qui est la durée après laquelle 10% des roulements tomberont en panne. Si la L10 d’un roulement est de 20 ans, alors il y a 10% de chances que le roulement tombe en panne en moins de 20 ans. Ceci est important car cela oblige les fabricants et les opérateurs éoliens à penser à la « durée de vie » en termes de probabilités.

Il est également important de considérer qu’une éolienne a plus d’un roulement. Une chaîne cinématique typique compte 20 à 25 roulements, y compris les roulements principaux, la boîte de vitesses et les roulements du générateur. Que se passe-t-il donc si l’on combine la durée de vie L10 de chaque roulement de la chaîne cinématique pour calculer une « durée de vie au niveau du système » ? Un calcul simple pour un groupe motopropulseur avec 25 roulements, ayant tous une durée de vie nominale L10 de 20 ans, indique que la probabilité qu’un ou plusieurs roulements tombent en panne dans les 20 ans est de 93 %.

Une éolienne typique contient 20 à 25 roulements, qui doivent tous être pris en compte dans un calcul de fiabilité de la durée de vie au niveau du système.

Sur la base de ce calcul, presque toutes les boîtes de vitesses d’un parc éolien sont susceptibles de tomber en panne dans les 20 ans. Cela peut sembler choquant, mais c’est une réalité sur le terrain. De nombreux exploitants éoliens attesteront que la plupart des boîtes de vitesses ont été changées ou sont passées par une réparation en haut de la tour d’une manière ou d’une autre, comme un nouvel arbre d’étage à grande vitesse ou des roulements, bien avant que sa durée de vie de 20 ans ne soit terminée.

Maintenant, demandons-nous combien de boîtes de vitesses tomberont en panne dans les sept ans ? Le même calcul indique que la probabilité qu’un ou plusieurs roulements tombent en panne dans les sept ans est de 37%. Cela signifie que plus d’un tiers des boîtes de vitesses subiront une sorte de défaillance des roulements.

Ces résultats proviennent d’un calcul simplifié et ne sont destinés qu’à montrer les tendances générales, mais ils montrent des résultats étonnants. Malheureusement, le calcul peut sous-estimer les taux de défaillance des boîtes de vitesses car il ne tient pas compte des modes de défaillance autres que la fatigue. Mais la bonne nouvelle est que, dans la pratique, certains roulements offrent une durée de vie nominale supérieure à 20 ans parce que leur taille est dictée par d’autres facteurs, comme la rigidité ou les facteurs de sécurité lors de cas de charge extrêmes.

C’est pourquoi le terme « durée de vie nominale » est trompeur, et l’une des raisons pour lesquelles de nombreuses boîtes de vitesses sur le terrain tombent en panne en moins de 20 ans. Une façon d’atténuer ces défaillances est d’employer des méthodes d’ingénierie plus fiables tout au long de la durée de vie d’une turbine. Par exemple, en utilisant des normes de conception et des simulations, ainsi que des données opérationnelles fiables et des taux de défaillance historiques, il est possible de fournir des prédictions précises des défaillances de la transmission.

Cet article faisait partie de notre Guide des énergies renouvelables 2018. Consultez la publication complète ici.