Applicatin de l'industrie

Introduction à l'application des joints d'étanchéité dans les équipements d'énergie éolienne

Dans l'industrie de l'énergie éolienne, les équipements sont confrontés à des conditions de fonctionnement difficiles, notamment des variations de température extrêmes, des vents forts et du sable, des brouillards salins humides, des vibrations continues et de longues périodes de fonctionnement sans surveillance. Par conséquent, la fiabilité des joints d'étanchéité, qui agissent comme « gardiens » des composants clés, est directement liée à l'efficacité de la production d'électricité, aux coûts de maintenance et à la durée de vie des éoliennes.

1. Fonctions principales et importance

Les joints d’étanchéité des équipements éoliens ont deux missions principales :

1. 1. Conservation de la lubrification : empêcher les fuites d'huile lubrifiante ou de graisse de la boîte de vitesses, de l'arbre principal et des roulements de lacet et de pas, garantissant que les engrenages et les roulements sont entièrement lubrifiés et réduisant l'usure.
2. 2. À l'exclusion de la contamination : bloque efficacement les contaminants externes tels que la poussière, l'humidité et le brouillard salin de pénétrer dans les composants internes de transmission de précision, empêchant ainsi la corrosion, l'usure et la dégradation du lubrifiant.

Les éoliennes étant souvent situées dans des zones reculées ou offshore, le coût d’une seule opération de maintenance est extrêmement élevé. La défaillance d'un joint d'huile valant seulement quelques centaines de dollars peut entraîner des dommages à la boîte de vitesses coûtant des centaines de milliers, voire des millions, en perte de revenus due aux temps d'arrêt. Ainsi, la fiabilité des joints est cruciale pour garantir le retour sur investissement d’une éolienne.

Principaux points et exigences d'application

1. 1. Roulement d'arbre principal

• Conditions : Vitesse moyenne à faible, charge lourde, résiste à des moments de flexion importants et aux charges d'impact du rotor.
• Exigences d'étanchéité :

◦ Excellente résistance à l’abrasion et à la fatigue.

◦ Bonne capacité de suivi des lèvres pour s'adapter aux déflexions et vibrations mineures de l'arbre.

◦ Etanchéité efficace des graisses à base de lithium.

• Types courants : Grands joints en caoutchouc à boîtier métallique, souvent avec une conception à double lèvre (les joints à lèvre principale sont graissés, la lèvre auxiliaire exclut la poussière).

2. 2.Boîte de vitesses

Il s’agit de l’un des environnements les plus exigeants et les plus sévères sur le plan technologique pour les joints d’étanchéité.

• Extrémité d'arbre haute vitesse :

◦ Conditions : Vitesse de rotation élevée (supérieure à 1500 tr/min), température élevée.

◦ Exigences : Très faible perte de puissance par frottement, excellente résistance aux hautes températures, résistance au séchage des lèvres provoqué par une force centrifuge élevée.

◦ Types courants : joints à ressort-en PTFE (polytétrafluoroéthylène) sous tension. Ceux-ci sont devenus le choix courant en raison de leur faible coefficient de frottement, de leur résistance aux températures élevées et de leur excellente résistance chimique.

• Bout d'arbre à basse vitesse et étages intermédiaires :

◦ Conditions : vitesse inférieure, mais couple élevé.

◦ Exigences : Bonnes performances d’étanchéité et durabilité.

◦ Types courants : joints en caoutchouc nitrile hydrogéné hautes performances ou joints en PTFE.

3. 3. Roulements de lacet et de pas

• Conditions : Faible vitesse, charge lourde, mouvement intermittent, exposition directe à l’environnement extérieur, soleil persistant, pluie et corrosion.
• Exigences d'étanchéité :

◦ Résistance exceptionnelle aux intempéries (résistance aux UV, à l'ozone, aux hautes et basses températures).

◦ Résistance exceptionnelle à la corrosion et à l’eau de mer (pour les turbines offshore).

◦ Bonne résistance à l'usure pour résister à l'usure abrasive due à la rotation des roulements et aux contaminants.

• Types courants : Bagues d'étanchéité souvent multi-lèvres, entièrement en caoutchouc ou en caoutchouc-métal composite. Le matériau est typiquement de l'EPDM (Ethylène Propylène Diène Monomère), connu pour son excellente résistance aux intempéries.

4. 4. Roulement du générateur

• Conditions : Vitesse de rotation élevée, température relativement élevée.
• Exigences : Résistance à la chaleur, résistance à l’usure, compatibilité avec les fluides de refroidissement du générateur.
• Types courants : joints d’huile en caoutchouc standard ou hautes performances.

1. Matériaux courants de joint d’huile

• Caoutchouc nitrile hydrogéné : excellentes performances globales, résistant à la chaleur (jusqu'à 150 °C), à l'usure et à l'huile. Un choix rentable couramment utilisé dans les boîtes de vitesses et dans d’autres domaines.
• Polytétrafluoroéthylène : Résistant à presque tous les produits chimiques, très faible coefficient de frottement, résistant à la chaleur (jusqu'à 200°C+). Le choix préféré pour les joints d’arbre à grande vitesse, souvent utilisés avec un ressort pour assurer un suivi stable des lèvres.
• Monomère d'éthylène propylène diène : Excellente résistance aux intempéries, à l'ozone, au vieillissement et à la vapeur. Le premier choix pour les joints de roulements de lacet et de pas, mais non résistant aux huiles minérales.
• Fluoroélastomère : offre une meilleure résistance à la chaleur et à l'huile que le HNBR, utilisé dans des applications plus sévères, mais à un coût plus élevé.

Défis et tendances de développement

1.Défis :

• Exigences de longévité : Les turbines modernes sont conçues pour plus de 20 ans de service, exigeant une durée de vie des joints adaptée pour un fonctionnement sans entretien ou nécessitant peu d'entretien.
• Exigences en matière de consommation d'énergie : le couple de friction des joints consomme de l'énergie, réduisant ainsi l'efficacité globale. La réduction des frictions est un objectif clé.
• Environnements extrêmes : Les niveaux élevés de sel et d'humidité au large, le froid extrême dans les régions du nord et le sable dans les zones désertiques imposent des exigences plus strictes aux phoques.

2.Tendances :

1. Innovation matérielle : développement de nouveaux matériaux composites et élastomères combinant une friction moindre, une résistance à l'usure plus élevée et une durée de vie plus longue.
2. Optimisation structurelle : adoption de conceptions de lèvres hydrodynamiques. De minuscules motifs ou crêtes sur la lèvre d'étanchéité créent un effet de pompage pendant la rotation de l'arbre, repoussant tout fluide accidentellement introduit dans le boîtier, améliorant ainsi considérablement la fiabilité de l'étanchéité.
3. Intégration et modularisation : intégration de la fonction d'étanchéité dans les roulements ou les boîtes de vitesses dans le cadre d'une solution complète, simplifiant l'installation et améliorant la fiabilité globale.
4. Surveillance de l'état : développement de « joints intelligents » avec des interfaces de capteurs pour surveiller l'état du lubrifiant ou l'état du joint en temps réel, permettant ainsi une maintenance prédictive.

3.Résumé

Bien que petits, les joints d’huile sont la pierre angulaire du fonctionnement fiable des équipements éoliens. De l'arbre principal et de la boîte de vitesses aux systèmes de lacet et de pas, les solutions de joints d'huile hautes performances sont essentielles pour garantir un fonctionnement stable de la turbine dans des environnements difficiles et réduire le coût total de possession. À mesure que les éoliennes évoluent vers une plus grande taille, une plus grande efficacité et un déploiement offshore, les exigences en matière de technologie des joints d'étanchéité continueront d'augmenter, entraînant une innovation constante dans ce domaine.