Dossier : analyse vibratoire des éoliennes

Actualité - 4 octobre 2019

VALEMO vous propose régulièrement une mise en lumière de ses dernières études.
Retrouvez ci-dessous un dossier complet sur l’analyse vibratoire des éoliennes et son rôle incontournable dans l’optimisation de leur production.

Une éolienne est une machine tournante dont la rotation est assurée par des éléments mécaniques que l’on retrouve sur toute la chaîne cinématique (cf. figure ci-après) : roulement principal de l’arbre lent, roulements et engrenages du multiplicateur de vitesse, roulements de la génératrice.

 

chaine cinematique         legende_Plan de travail 1

Alexis LEBRANCHU. Analyse de données de surveillance et synthèse d’indicateurs de défauts et de dégradation pour l’aide à la maintenance prédictive de parcs de turbines éoliennes. PhD thesis, Université Grenoble Alpes, 2016.

 

Une machine tournante en fonctionnement vibre et l’analyse des vibrations permet de détecter des défauts mécaniques s’inscrivant dans le cadre des maintenances conditionnelle & prévisionnelle*.

1/L’analyse vibratoire selon la transformée de Fourier, ou comment passer du domaine temporel au domaine fréquentiel

> Représentation temporelle : l’accéléromètre

La vibration s’étudie en observant la variation de position d’un système par rapport à son état d’équilibre au cours du temps et selon une direction de l’espace. Il est également intéressant d’étudier les dérivées temporelles de la position (vitesse (dérivée première) et accélération (dérivée seconde)).

Pour étudier les vibrations sur une éolienne, des accéléromètres sont installés sur différents endroits de la chaîne cinématique (cf. illustrations ci-dessous : accéléromètre positionné en radial sur le roulement principal d’une éolienne ACCIONA AW1500, puis, exemple de représentation de l’accélération en fonction du temps).

accéléromètrerepresentation accélration temps

> Représentation fréquentielle : transformation de Fourier

La représentation temporelle fournit de nombreuses informations dont l’exploitation directe peut s’avérer ardue. Par ailleurs, de nombreux phénomènes se situent naturellement dans le domaine des fréquences et non pas dans le domaine temporel ou spatial. Le cerveau humain effectue par exemple une analyse dans le domaine des fréquences pour reconnaître une voix (signal auditif).

Les représentations temporelle et fréquentielle sont reliées entre elles par une transformation de Fourier (cf. illustration ci-dessous d’un spectre entre 0 et 10kHz de vibrations sur un roulement d’arbre rapide de multiplicateur sur une éolienne GE ECO80 réalisée sur le logiciel SKF @ptitude Observer).

spectre

 

2/ Acquisition et traitement des données :
une architecture de télécommunication centralisée avec un logiciel adapté

Une éolienne est généralement équipée de 8 accéléromètres (2 sur le roulement de l’arbre lent, 4 sur le multiplicateur de vitesse et 2 sur la génératrice) qui sont reliés par des câbles à une centrale d’acquisition. Puis les données transitent par le réseau intranet du site éolien et le réseau internet pour être ensuite stockée sur le serveur de l’exploitant. Ces données sont ensuite traitées par des logiciels d’exploitation où la cinématique de chaque éolienne est renseignée (cf. illustration ci-après d’une cinématique d’éolienne GE ECO80 réalisée sur le logiciel SKF @ptitude Observer) et analysées par des experts vibratoires.

cinematique d'éolienne

Une compétence incontournable pour un exploitant responsable qui s’acquiert avec patience

Cela fait maintenant plusieurs années que nous travaillons sur le développement de cette compétence d’analyse vibratoire qui s’acquiert assurément avec patience, tant à la fois il est difficile de conclure avec circonspection et précision sur l’apparition d’un défaut mais aussi de définir les actions correctives qui en découlent.

Par ailleurs équiper les éoliennes de tels systèmes requiert des personnes formées et maintenir ces systèmes réclame une attention continue.

Ainsi, nous avons équipé dernièrement 23 éoliennes de type ECO80 et AW1500 sur 4 parcs éoliens en France avec le même système vibratoire afin de garantir une homogénéité de l’outil utilisé. Ce développement a porté ses fruits dans la mesure où il nous a permis d’anticiper la casse de roulements principaux (cf. illustrations ci-dessous des spectres basse-fréquence de vibrations sur un roulement principal réalisés sur le logiciel SKF @ptitude Observer) et d’organiser au mieux leur remplacement (approvisionnement, logistique, etc.).

spectre basse frequence

Dans le cadre de l’optimisation de la production des éoliennes mais aussi dans une problématique plus large d’extension de la durée de vie, l’analyse vibratoire est une brique essentielle dans l’exploitation des projets.
Néanmoins, le développement de cette compétence doit se faire avec méthode et rigueur afin de pouvoir délivrer un diagnostic fiable et efficace sur les défauts mécaniques.

J. Dalmas – Responsable prestations – VALEMO

A. Lebranchu – Docteur Ingénieur projet R&D – VALEMO

 

 

Sources :

  • Rapport de stage travaux fin d’étude Ecole Centrale de Nantes – Aymeric Bigourdan.
  • Cours « Principes et outils pour l’analyse et la mesure » du Conservatoire National des Arts et Métiers – C. Zerrouki.

* Maintenance conditionnelle : maintenance préventive basée sur une surveillance du fonctionnement du bien et/ou des paramètres significatifs de ce fonctionnement intégrant les actions qui en découlent.

Maintenance prévisionnelle : maintenance conditionnelle exécutée en suivant les prévisions extrapolées de l’analyse et de l’évaluation de paramètres significatifs de la dégradation du bien.