Énergie et environnement

Facteurs de défaillance de la boîte de vitesses des éoliennes

Facteurs de défaillance de la boîte de vitesses des éoliennes

La maintenance des éoliennes peut couvrir une grande variété d'activités, mais l'un des problèmes majeurs concerne la réparation ou le remplacement des boîtes de vitesses d'éoliennes, qui tombent souvent prématurément avant d'avoir terminé leur durée de vie de 20 ans. Certains projets éoliens connaissent des taux de défaillance allant jusqu'à 50% en l'espace de quelques années. Ceci, à son tour, augmente les coûts en augmentant les temps d'arrêt, en augmentant la maintenance et la reconstruction et le remplacement de la boîte de vitesses.

L'une des raisons à cela est le fait que l'industrie est si nouvelle par rapport à d'autres industries, mais cela pourrait aussi être dû au rythme du développement des éoliennes avec des conceptions toujours plus grandes qui arrivent sur le marché. Une mauvaise compréhension des charges des turbines est un autre facteur, tout comme un problème émergent de fissuration axiale dans les paliers de turbine.

En 2007, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a créé son NREL Gearbox Reliability Collaborative afin d'évaluer pourquoi les pannes de boîte de vitesses se produisent et comment résoudre le problème. Les laboratoires nationaux Sandia d'Albuquerque se penchent également sur cette question. Le résultat en a été une plus grande volonté de partager les données obtenues avec le grand public, alors qu'auparavant l'industrie était quelque peu réticente à le faire. L'avantage de le faire est que cela permet à l'industrie d'expliquer au public ce qu'elle fait pour aider à réduire le coût de l'énergie éolienne.

Par exemple, les années précédentes, les tests à grande échelle étaient coûteux, de sorte que les fabricants d'équipement d'origine (OEM) avaient tendance à effectuer des tests courts à la place, et peu d'entre eux. Cependant, les tests sont désormais plus étendus, se déroulant généralement sur de grands bancs d'essai, et donc également plus rigoureux.

Test de phase 1 du réducteur d'éolienne au NREL [Source de l'image: NREL]

La connaissance de la façon dont les réducteurs d'éoliennes répondent aux charges est maintenant grandement améliorée, souvent grâce à un logiciel de conception développé par des sociétés telles que Romax Technology, basée à Troy, Michigan, qui a produit un progiciel appelé Romax Wind. Équipés de tels logiciels, les ingénieurs sont beaucoup plus à même d'évaluer avec précision les contraintes imposées aux engrenages et aux roulements, ce qui signifie qu'ils sont bien mieux placés pour pouvoir développer des éoliennes plus résilientes.

Par exemple, il devient maintenant assez clair que la majorité des pannes de boîte de vitesses d'éoliennes, qui représentent 76% des pannes, sont dues à des pannes dans les roulements, bien que ce ne soit pas le seul problème bien sûr. La fissuration axiale des roulements est l'une des principales causes d'une telle défaillance.

Outre la fissuration axiale des roulements, la contamination des lubrifiants par des particules tranchantes peut entraîner une défaillance par piqûres des rouleaux de roulement. Il commence par micropitting, également connu sous le nom de coloration grise ou de givrage en raison de la couleur causée par la présence de fissures microscopiques qui sont généralement trop petites pour être visibles en elles-mêmes mais qui amènent collectivement une surface à adopter une couleur grise. La surface du rouleau s'affaiblit alors, ce qui entraîne une perte de tolérance de précision. Les contaminants sont généralement des matériaux tels que le sable, la rouille, les copeaux d'usinage, la poussière de meulage et les éclaboussures et débris causés par l'usure. Malheureusement, la plupart de ces particules ne peuvent pas être filtrées hors du lubrifiant.

Les taches sombres sont des contaminants dans l'huile [Source de l'image: NREL]

Les boîtes de vitesses à grande vitesse souffrent souvent de taux de défaillance élevés. Les ingénieurs avaient tendance à les installer dans des éoliennes, car cela leur permettait également d'installer de petits générateurs, réduisant ainsi le coût initial. La tendance s'oriente désormais davantage vers l'installation de boîtes de vitesses moyennes. Ceux-ci ont moins d'engrenages et de roulements et sont donc beaucoup plus fiables, mais ils sont également plus chers. Néanmoins, les boîtes de vitesses à vitesse moyenne pourraient augmenter le nombre de turbines en fonctionnement à tout moment, augmentant ainsi la quantité d'énergie propre générée et créant des milliers d'emplois dans la conception, la fabrication et l'exploitation.

De nombreuses boîtes de vitesses échouent en raison de la trempe du broyage. Cela se produit lorsque la température d'une partie de l'engrenage dépasse la température de revenu de l'acier dont il est fait. Ceci, à son tour, réduit sa dureté et donc sa résistance. Pour contrer cela, les équipementiers demandent à leurs fournisseurs de vérifier l'état de mouture des engrenages. Un processus appelé gravure nital peut être utilisé pour identifier les différences de microstructure dans les composants permettant ainsi l'identification des zones endommagées par l'usinage ou le meulage. Si ces zones ne refroidissent pas correctement, elles peuvent surchauffer. Ils apparaîtront plus foncés sous le test de gravure nital que les zones non endommagées.

L'inclusion d'une particule étrangère dans un engrenage entraîne une augmentation des contraintes. S'il est suffisamment grand et assez proche d'une surface de contact active, cela entraînera une défaillance prématurée de l'engrenage. Le remède à ce problème est des tests non destructifs tels que les tests ultrasons multiéléments qui contribuent à réduire le nombre d ’« inclusions »et donc le nombre de pannes d’engrenages.

Pour en revenir à ce problème de fissuration axiale évoqué plus haut, il s'agit d'une cause régulière de défaillance du réducteur de turbine. La fissuration axiale dans les roulements se produit généralement sous la forme de longues fissures sur la bague intérieure d'un roulement. On l'appelle parfois «fissuration par gravure blanche» en raison des zones blanches irrégulières qui apparaissent sur les surfaces d'appui lorsqu'elles sont décapées chimiquement et examinées à l'aide de micrographies. C'est un problème qui affecte les boîtes de vitesses de tous les fabricants et les roulements à rouleaux cylindriques sont particulièrement vulnérables. Le traitement thermique pendant la fabrication peut aggraver le problème en ce qu'un refroidissement non uniforme peut provoquer des contraintes localisées conduisant à des fissures. Une forme particulière de traitement thermique connue sous le nom de carburation par carter peut aider à réduire l'apparition de fissures axiales dans les roulements. Cela implique que le composant soit placé dans un four à atmosphère de carbone, suivi d'une trempe et d'un revenu, fournissant un noyau à faible teneur en carbone trempé et une coque dure à haute teneur en carbone.

Dommages aux engrenages à grande vitesse et à étage intermédiaire [Source de l'image: NREL]

Des fissures peuvent également se produire en raison de la transformation inégale de l'austénite en martensite. La martensite est une forme d'acier très dure. Une transformation martensitique se produit lors du refroidissement de métaux spécifiques et souvent lorsque l'austénite est refroidie à température ambiante. L'austénite est un allotrope du fer, l'allotropie étant la propriété de certains éléments chimiques d'exister sous deux ou plusieurs formes différentes dans le même état physique. Par exemple, les allotropes de carbone comprennent le diamant, le graphite, le graphène et le fullerène. En plus de l'austénite, deux autres allotropes de fer sont le fer alpha (ferrite) et le fer delta. L'austénite est également connue sous le nom de fer gamma. Si la transformation de l’austénite en martensite n’est pas uniforme, elle peut entraîner des taux de refroidissement différents, entraînant à son tour une croissance, un retrait et des distorsions de torsion provoquant des fissures.

La fissuration axiale n'est toujours pas entièrement comprise, mais une autre solution, en plus du traitement thermique de carburation du boîtier, pourrait être un revêtement d'oxyde noir sur les roulements. Cela pourrait améliorer les propriétés structurelles de l'acier utilisé pour fabriquer les roulements tout en chassant l'hydrogène. Ceci est important car l'hydrogène peut rendre l'acier cassant. Les sources d'hydrogène peuvent inclure l'huile de boîte de vitesses, l'humidité dans l'huile et divers additifs d'huile. Une autre source peut être une décharge électrostatique des systèmes électriques ou de lubrification qui peut extraire l'hydrogène de l'eau et de l'huile dans la boîte de vitesses.

Bien que la défaillance de la boîte de vitesses soit en effet un problème persistant dans le secteur éolien, la compréhension de ces problèmes s'améliore constamment, et avec elle la fiabilité des éoliennes.


Voir la vidéo: Description du fonctionnement dune éolienne (Octobre 2021).