Ce que les paliers lisses peuvent contribuer aux boîtes de vitesses des éoliennes

May 24, 2023

Par Paul Dvorak | 27 avril 2017

Un programme récent du National Renewable Energy Laboratory a évalué la durabilité d'une boîte de vitesses de 1 MW avec paliers lisses. Les résultats sont encourageants pour une utilisation plus large et des boîtes de vitesses plus fiables.

Un technicien assemble la boîte de vitesses avec quatre paliers lisses.

Si une boîte de vitesses d'éolienne n'est pas encore équipée d'arrangements de roulements à rouleaux améliorés dans sa phase planétaire, elle le sera bientôt lorsqu'elle sera réparée car les nouvelles conceptions de roulements ont une capacité de charge plus élevée. Les préférences de conception récentes incluent des roulements à rouleaux coniques préchargés ou des rouleaux cylindriques avec des chemins de roulement intégrés aux engrenages planétaires. Mais même ces agencements finiront par subir des dommages par écaillage dus à la fatigue du contact de roulement et devront être remplacés. Est-il possible qu'une boîte de vitesses à paliers lisses puisse mieux résister aux conditions difficiles imposées par les éoliennes ?

L'un des objectifs de la boîte de vitesses de nouvelle génération est d'améliorer l'efficacité de la transmission.

Les ingénieurs de NREL et de Romax Technology et d'autres partenaires industriels ont récemment terminé un projet soutenu par le Département américain de l'énergie pour tester les technologies de boîte de vitesses, de générateur et de convertisseur de puissance de nouvelle génération visant à réduire le coût actualisé de l'énergie. La disposition de la boîte de vitesses incorporait la technologie des goupilles flexibles et des paliers lisses pour améliorer le partage de la charge planétaire et approfondir la compréhension des tourillons dans cette application à faible vitesse et charge élevée. Dans le cadre du projet, la transmission a été conçue, construite et testée dans un dynamomètre au National Wind Technology Center.

Le Dr Ashley Crowther, vice-président mondial de l'ingénierie chez Romax Insight, a présenté les résultats prometteurs des tests lors de la récente réunion de collaboration sur la fiabilité de la transmission au NREL. L'objectif du programme était de proposer une transmission de nouvelle génération qui ferait avancer l'industrie éolienne. "Nous recherchions un arrangement avancé de boîte de vitesses pour l'industrie éolienne afin de tester la technologie dans le but de réduire les coûts et la maintenance du système tout en augmentant l'efficacité", a-t-il déclaré. Les paliers lisses dans les boîtes de vitesses éoliennes sont rares, bien qu'il y en ait quelques-uns récemment proposés par les fabricants européens d'équipement d'origine (OEM) de boîtes de vitesses.

Un projet NREL précédent a fourni une transmission à modifier, avec l'arbre principal soutenu par deux roulements coniques et comprenant un générateur à vitesse moyenne. La boîte de vitesses conventionnelle a été remplacée par une boîte équipée de paliers lisses en un seul étage, avec quatre planètes montées sur des broches flexibles ou flexibles. Pour la rentabilité, la boîte de vitesses d'essai avait un étage, mais lors de la recherche conceptuelle, le responsable du programme de NREL, Jon Keller, a déclaré que l'équipe avait examiné une série de rapports et avait constaté que le coût d'énergie le plus bas était possible avec une boîte de vitesses à deux étages avec un rapport d'environ 30.

L'illustration, une coupe transversale, montre la roue solaire et les goupilles flexibles, qui supportent les broches, et les paliers lisses supportant les planètes.

La goupille flexible à l'intérieur d'une broche lui permet de se déplacer légèrement lorsque les charges planétaires changent. Un palier lisse roule sur chaque broche.

Dans cette application, la planète tourne sur un mince film d'huile sur le matériau du tourillon et l'anneau est immobile. Le matériau est de l'acier recouvert d'alliages spéciaux, propriété du fabricant en Europe.

Les tracés des jauges de contrainte dans la boîte de vitesses ont montré que le partage de charge s'améliorait avec la charge jusqu'à une répartition de charge presque égale au couple nominal.

Le but de la goupille flexible est d'améliorer le partage de charge à travers le système à quatre planètes. Un tabouret à trois pieds fournit une analogie. Les trois pieds sont en contact avec le sol afin que le tabouret ne bascule pas. Mais un tabouret à quatre pieds pourrait facilement basculer si les jambes sont raides. De même, un système planétaire avec plus de trois planètes peut partager les charges planétaires de manière inégale. La déviation du système, les petits dégagements et les erreurs de construction (généralement dans les limites de la tolérance) jouent tous dans l'ampleur du partage inégal de la charge. Mais s'il y a une certaine flexibilité dans le système, ce serait comme avoir un ressort sur chacun des pieds du tabouret, le laissant toujours reposer sur quatre pieds. La broche flexible offre un moyen de le faire dans un système à quatre planètes. Un article précédent (http://tinyurl.com/bearings-journal ou WPE&D mai 2016) fournit plus de détails sur la reconstruction de la boîte de vitesses.

Avantages et défis

La broche est autorisée à se plier afin que les planètes sur les broches puissent se déplacer ou se déplacer de haut en bas. Bien que la goupille flexible ne soit pas un nouveau concept et que Romax ait déjà conçu ces boîtes de vitesses, elle améliore la conception et permet de combiner une boîte de vitesses plus compacte avec les paliers lisses.

Bien que la température de l'huile ait augmenté avec la charge, les températures sont restées dans une plage acceptable.

Un autre avantage des paliers lisses est la réduction des coûts en raison de leur simplicité par rapport aux roulements à éléments roulants. L'équipe de Crowther soupçonne également que ces types de roulements amélioreraient la fiabilité car ils sont constitués de moins de pièces et nécessitent encore des tests de durabilité à plus long terme et des essais sur le terrain. Cependant, la conception réduit considérablement le nombre de pièces et, à cet égard, devrait améliorer la fiabilité. Par exemple, la conception supprime entre deux et quatre rangées de roulements (selon la conception) de chaque planète et les remplace par un roulement. Les paliers lisses peuvent

Le nombre de particules est resté stable pendant l'année simulée des démarrages et des arrêts.

réduisent également le poids et leur assemblage est plus facile qu'avec les conceptions préchargées. "Les paliers lisses présentent donc de nombreux avantages, bien que nous ne soyons certainement pas partisans des paliers ou des rouleaux pour le moment", a déclaré Crowther.

Il y a aussi des défis dans la conception. Par exemple, un ajustement serré maintient les broches dans le support, et la broche et la broche combinées sont également un ajustement serré. Il est important de comprendre la rigidité de l'ajustement et son effet sur les modèles au niveau du système. La modélisation de tous ces éléments dans un logiciel de simulation est un défi et un domaine d'amélioration recommandé.

Goupilles flexibles

Les goupilles flexibles laissent flotter les engrenages, de sorte que les charges augmentant avec le couple plient les goupilles. En raison des couples sur l'arbre, la broche se déplace légèrement, de sorte que les couples s'ajustent pour être presque égaux sur chaque planète. Les broches ne s'inclinent pas. C'est important. Le partage de charge sur une conception à quatre planètes absorbe les fluctuations de couple et réduit le désalignement des dents. Le graphique à barres couple par rapport à la charge montre les résultats, où 417 kNm est proche de la charge nominale et la charge relative sur chaque planète est proche de 1.

Lubrification

Le système de lubrification devait fournir de l'huile au roulement. Une alimentation en huile passe par le boîtier de l'arbre principal, dans le support, le long de la goupille et remonte la broche jusqu'au planétaire. Un joint tournant permet de pomper l'huile d'une section fixe vers le planétaire ou la section tournante.

Il y a des défis ici. "En raison des contraintes liées à la modification d'une ancienne transmission, nous ne pouvions pas tout à fait obtenir la pression que nous voulions. La rotation a également provoqué des fluctuations de pression. Mais cela a fonctionné raisonnablement bien, générant une pression d'un bar en utilisant une huile de boîte de vitesses bien connue. Pour maintenir la propreté, le système a utilisé des filtres de 8,5 et 3 microns.

La conception du tourillon fonctionne à une vitesse relativement lente par rapport aux autres applications de paliers lisses. "Nous avons calculé le paramètre de conception pour les paliers lisses en tenant compte d'une composante axiale de la charge due à l'inclinaison de la transmission à 5°, mais il n'y avait pas de charge importante à partir d'un angle d'hélice sur les engrenages comme c'est courant. Ensuite, il y avait des charges radiales sur les tourillons à cause des forces d'engrènement des engrenages, ainsi que de petites charges à partir des angles de pression sur les engrenages et des écarts de fabrication", a déclaré Crowther.

La modélisation du tourillon a nécessité de comprendre les déviations, y compris l'inclinaison des engrenages, et en particulier comment cela affecte l'inclinaison du maillage de l'engrenage planétaire. "Nous avons calculé la rigidité du film, et c'était de la recherche, mais à partir de cela et d'autres travaux, Romax Technology a fait quelques développements de modélisation pour Romax Designer. Nous avons étudié la répartition de la pression sur toute la largeur du tourillon. En fin de compte, nous avons pu obtenir un bon calcul de rigidité pour terminer la conception", a déclaré Crowther.

Instrumentation

Il a fallu mesurer de nombreux paramètres pour confirmer la fonction de la conception. La durabilité a été jugée au démontage et par un compteur de particules de débris dans l'huile. "Pour la fonction, nous voulions savoir que nous avions la bonne pression, des températures de fonctionnement fraîches et la capacité de collecter des mesures physiques telles que les contraintes des composants. La boîte de vitesses était instrumentée pour la température et la pression à l'extrémité de la broche, ce qui donnait de bonnes informations sur la façon dont le tourillon fonctionnait ", a-t-il déclaré. Des jauges de contrainte sur la broche flexible ont mesuré la flexion et validé qu'elle fonctionnait correctement. Cela a également vérifié le partage de charge entre les quatre broches.

Essais fonctionnels

Le graphique précédent, Couple par rapport à la charge, montre les charges à couple faible et nominal, où le partage de charge devient assez bon. À faible couple, le partage inégal n'a pas d'importance car il y a peu de contraintes sur les roulements et les engrenages. Mais à mesure que le couple augmente, les charges augmentent. "Ils étaient entre 0,95 et 1,05 charge relative, ce qui est assez bon. Si vous concevez une boîte de vitesses conventionnelle avec quatre planètes et sans goupilles flexibles, un facteur de partage de charge d'environ 1,25 serait approprié. Les goupilles flexibles permettent soit une boîte de vitesses plus petite ou une plus grande fiabilité, ou vous pouvez concevoir pour un compromis au milieu ", a déclaré Crowther.

La répartition de la charge sur les dents, un autre critère de performance important, a été évaluée à l'aide d'un composé de marquage des dents et d'une jauge de contrainte à la racine des dents. Les mesures aux jauges de contrainte ont permis d'établir les répartitions des charges sur les dents, qui ont été jugées adéquates. "Un petit contact s'est montré d'un côté. Le facteur difficile de la modélisation de la rigidité de la goupille flexible par rapport à l'ajustement serré de la broche était le moteur derrière cela, si nous entamions la production, nous corrigerions facilement la boîte de vitesses suivante", a-t-il déclaré.

"Le facteur de charge, KHß, répondait aux exigences", a déclaré Crowther. "C'est la charge maximale par rapport à la charge principale, et la valeur diminue à mesure que le couple augmente, donc elle s'améliore vers le couple nominal mais pourrait être encore améliorée", a-t-il déclaré.

Les tests de performance ont fait fonctionner la boîte de vitesses à l'état stable sous charge jusqu'à ce que tout soit réglé. "Les températures étaient assez froides. Un thermocouple était dans la zone de charge et un en dehors, et les températures ont augmenté à peu près ensemble, mais beaucoup plus bas que ce qui provoquerait l'arrêt d'une boîte de vitesses. Ainsi, les roulements refroidissent et l'usure est faible. Le maintien de la température de l'huile du carter avec des réchauffeurs était le moteur de la température de l'huile plus que tout", a conclu Crowther.

Un compteur de particules réglé selon les normes de l'Organisation internationale de normalisation (ISO), ou bacs, faisait partie des tests de durabilité, qui ont fourni l'équivalent d'un an de démarrages et d'arrêts, soit environ 5 000 cycles. Grâce à ce test, le nombre de particules est resté stable. "Pendant les tests de démarrage et d'arrêt, nous n'avons pas vu de génération de particules qui useraient cette chose, ce qui était bien. Nous avions une usure assez faible. Le démontage a également révélé une usure minimale des tests fonctionnels et de la norme pour les tests de durabilité", a déclaré Crowther.

Avec un budget limité, l'équipe a opté pour deux tests : les start-stops, qui impliquaient des courses de l'arrêt à 10 tr/min en 10 secondes à vide pendant 5 000 cycles. Cette approche simulerait environ un an de fonctionnement en environ 21 heures.

Même avec la pompe à huile éteinte pendant le test de tremblement, le palier lisse n'a pas chauffé.

Ces tests ont été suivis d'un test de dithering, ou d'une oscillation de la boîte de vitesses. "Ce dernier test simulerait une turbine au ralenti ou à faible brise et pourrait représenter des milliers d'heures dans la durée de vie d'une turbine. Ainsi, le test de tremblement simulait des rotations lentes. C'est important car une rotation lente ne génère pas l'épaisseur du film ou la pression pour soulever les tourillons. Le roulement fonctionnait dans le régime de lubrification limite - les surfaces se frottant les unes contre les autres. L'objectif était de voir dans quelle mesure la boîte résisterait ", a déclaré Crowther.

Enfin, un appel a été lancé pour le faire fonctionner sans pression d'huile. "Alors nous avons coupé l'approvisionnement en pétrole, sans même avoir une seule barre, pour voir ce qui se passerait. Et puis après, nous avons fait un démontage", a-t-il déclaré.

Les engrenages ont subi les dommages aux dents attendus lors du test sans huile + tramage. De tels dommages apparaîtraient sur n'importe quelle boîte de vitesses dans une situation similaire, mais les paliers lisses étaient peu usés.

Pendant le démontage, l'équipe a recherché des dommages au tourillon et d'autres usures dans les engrenages. Il n'est pas possible de voir dans les tourillons comme avec les roulements à éléments roulants, il n'a donc pas été possible d'utiliser un endoscope de la boîte de vitesses lors des tests pour rechercher des dommages.

"Les engrenages n'ont pas si bien fonctionné pour ce test de tremblement difficile, en raison de leur fonctionnement sans huile", a rapporté Crowther. "Nous avons constaté une terrible corrosion par frottement. Ce test de durabilité a été suffisamment horrible pour endommager considérablement les engrenages. Cela montre à quel point ce test était difficile pour les tourillons, car toute boîte de vitesses d'éolienne verrait des engrenages avec ce type de corrosion par frottement si vous effectuiez un tel test ", a déclaré Crowther.

Les critères standard d'usure acceptable et médiocre des paliers lisses (images avec des plages de bandes sombres sur les surfaces des paliers) permettent à l'équipe de juger ou d'évaluer les résultats. "Rappelez-vous", a déclaré Crowther, "que les paliers lisses échouent à cause de l'usure, et non de la durée de vie en fatigue du contact roulant, car la charge n'est pas sur une ligne, elle est répartie sur une grande surface."

Il rapporte que lors du démontage, l'équipe a constaté une certaine usure du tourillon et de la broche, mais cela a été considéré comme mineur et acceptable.

D'autres tests ont suivi. L'un était sans alimentation en huile, pendant 54 000 cycles à ± 0,5° à 2 Hz, un autre pendant 1 heure de tramage avec un débit d'huile de 25 %, puis 6 heures de tramage avec un débit d'huile nul.

Le graphique Tremblement accéléré – débit d'huile nul, indique la pression de la pompe. "La température de l'huile est intéressante car nous pensions que le palier lisse deviendrait chaud, mais ce n'est pas le cas", a déclaré Crowther. "Lorsque la pompe à huile a été remise en marche, les débris qui avaient pu s'accumuler dans le roulement à cause de l'usure sont sortis et le compte a légèrement augmenté."

Le palier lisse montrait une usure acceptable et fonctionnait plutôt bien. Il a exposé la couche de cuivre souple (~ 700 µm d'épaisseur) après avoir usé le matériau de revêtement (~ 20 µm). De plus, il est un peu à l'écart à cause de la gravité.

Le peu de dommages trouvés sur les paliers lisses est remarquablement prometteur pour cette application.

Crowther a conclu avec plusieurs recommandations de l'industrie :

• Maintenir un certain niveau de lubrification pendant l'expédition, le montage, l'attente, la réduction, l'arrêt prolongé et les périodes similaires

• Encourager les équipementiers de turbines à travailler avec les équipementiers de boîtes de vitesses pour mettre en service davantage de boîtes de vitesses à paliers lisses pour une évaluation à long terme

• Développer la chaîne d'approvisionnement des équipementiers, qualifier les fournisseurs de paliers lisses et déterminer le volume nécessaire

• Développer de nouveaux calculs de certification et de nouvelles pratiques de conception

• Étendre les tests de validation ou les performances sur le terrain à long terme en volume

• Élaborer des normes de surveillance de l'état et d'inspection

• Mesurer l'épaisseur du film et valider l'analyse

• Améliorez la modélisation et les validations des ajustements d'interférence

WINERGY UTILISE DÉJÀ DES ROULEMENTS TOURNANTS DANS LES GRANDES BOÎTES DE VITESSES

Le fabricant de boîtes de vitesses Winergy a reconnu que les paliers lisses ont prouvé leurs avantages dans plusieurs autres industries lourdes, alors pourquoi pas dans l'industrie éolienne ? L'année dernière, la société a déclaré que depuis mars 2013, un prototype de boîte de vitesses de 2 MW avec paliers lisses était en service dans une turbine Vestas V90 en Suède.

Plus récemment, un porte-parole de Winergy, Tobias van der Linde, rapporte que la turbine Vestas à paliers lisses est toujours en fonctionnement et fonctionne bien. Parallèlement, la société a mis en service deux autres réducteurs dans la classe 2 à 3 MW, et pour d'autres fabricants de turbines. Plusieurs mises en service supplémentaires sont prévues pour 2017.

Van der Linde rapporte également que la société construit et teste des boîtes de vitesses à palier lisse pour les futures turbines offshore de plusieurs mégawatts qui devraient entrer en service d'ici la fin de 2018.

L'entreprise ne partagerait pas les données techniques sur les boîtes de vitesses mais dirait qu'aucune modification n'était nécessaire sur les équipements périphériques tels que le système d'alimentation en huile par rapport aux boîtes de vitesses à roulements à rouleaux. De plus, il n'y a pas de demande d'huile plus élevée, les températures des roulements restent constantes à la puissance nominale et tous les tests ne montrent aucune usure des roulements. Les paliers lisses sont disponibles dans les boîtes de vitesses Winergy et pour l'HybridDrive.