Brevet FR3116087A1 — publié le 20220513

Le système est constitué d’une plateforme élévatrice « porte-outil » pour réaliser les opérations de montage, maintenance et démantèlement d’une éolienne de grande dimension. La plateforme effectue des translations le long du mât de l’éolienne. L’invention porte sur l’utilisation du mât de l’éolienne et sur les systèmes nécessaires associés pour réaliser en toute sécurité la translation de la plateforme. Le système peut aussi servir au montage initial du mât, puis de l’éolienne complète. Trois différentes configurations d’outillages portés sont spécifiques à la finalité de l’intervention. Une version « lourde » avec un portique susceptible de positionner tous les gros composants de l’éolienne (nacelle, rotor, tronçon du mât, etc.) Une version « intermédiaire » spécifiquement conçue pour déposer / reposer une pâle en position verticale. Une version « légère » pour des essais mécaniques de caractérisation des pâles (CND) par mesures sous contrainte de flexion et/ou torsion, voire d’autres interventions de maintenance « in situ ». Le système, les outillages associés et la méthode sont compatibles avec tous les types et tailles d’éoliennes à axe horizontal, terrestres et maritimes (offshore) et permettent de s’affranchir des grues et autres équipements utilisés pour toutes les phases allant du montage initial, la maintenance, au démantèlement. [Fig 1] Système de manutention spécifique et outillages associées pour le montage, la maintenance et le démantèlement d’éoliennes de grandes dimensions. Domaine technique : Manutentions spéciales et levage L’état de la technique A ce jour les opérations de maintenance peuvent être réalisées avec des moyens de levage à bord des nacelles (treuil, potences) Ces moyens sont généralement inadaptés pour des charges conséquentes telles qu’un alternateur ou un élément de transmission mécanique. Les opérations plus importantes sont réalisées avec différentes configurations de grues mobiles en fonction de la charge à manutentionner. Le montage initial d’une éolienne terrestre de 2 à 3 MW avec un mat de 90 à 120 m nécessite une grue géante de la classe 300 à 400 t voire plus. Un simple remplacement de pale est très dépendant des conditions atmosphériques, ce qui peut avoir un impact considérable sur le cout final de l’opération et surtout les conditions de sécurité associées. La mise en œuvre de tels moyen de levage s’accompagne de contraintes multiples et onéreuses, tels que le gabarit des accès routiers, les passages d’ouvrage d’art, les autorisations de convoi routier exceptionnel. Les compétences nécessaires ainsi que l’expérience des grutiers est un facteur majeur de la réussite des opérations. Certains constructeurs de grues explorent la possibilité de montage avec une grue à tour en parallèle du mat. C’est un progrès sur le plan logistique, mais cela reste assez délicat et onéreux à mettre en œuvre. Le développement de parc éolien offshore avec des dimensions et puissances unitaires de plus en plus importantes posera un véritable défi technico-économique aux futurs exploitants. Le montage, ainsi que les grosses opérations sont réalisées avec des grues sur barge, voire des navires spéciaux avec possibilité d’ancrage sur le fond. Les couts associés à la mise en œuvre de ces moyens spéciaux seraient de l’ordre de 5% à 10 % du contrat global, soit des sommes de l’ordre du M€ voire plus. La méthode et l’outillage en objet offre une possibilité d’optimisation de ces couts, ainsi que le développement d’un savoir-faire spécifique, de la conception à la mise en œuvre. Principe Le principe consiste à utiliser le mât de l’éolienne avec une méthode et un outillage spécifique en lieu et place d’une grue, qu’elle qu’en soit le modèle et la configuration. L’hypothèse de conception (vérifiée) est qu’en aucun cas les limites d’efforts, que ce soit en compression, flambage ou en flexion du dimensionnement du mât ne sont atteintes pour les opérations prévues, et cela avec les coefficients sécuritaires de référence. La méthode et l’outillage en objet permettent toutes les opérations de montage initial, de maintenance lourde, de contrôle (CND par ex.) voire de démantèlement ou modifications de l’éolienne, que ce soit en implantation terrestre ou maritime (offshore). Plusieurs configurations et dimensionnements de l’outillage sont prévues en fonction du cas précis, et des caractéristiques de l’éolienne (diamètre et géométrie du mat, masses à lever, débattements, etc.) Quelques exemples de mise en œuvre en montage initial ou démantèlement : Erection du mat par tronçons (futs métalliques boulonnés ou soudés, mat composite, béton ou autre par banchage coulissant, etc.) Pose de la nacelle (vide ou équipée suivant le cas) Pose des composants internes (transmission, arbres, alternateur, autres) Pose du moyeu, voire du rotor assemblé Pose des pales en position verticale L’outillage et la méthode permet de réaliser toutes ces opérations dans l’ordre inverse (démantèlement) En maintenance : Remplacement de pales, en position verticale le long du mât Inspection des pales, CND suivant différentes configurations et procédés Dépose / repose d’un alternateur, d’un sur-multiplicateur ou autre composant. Toute opération de maintenance préventive ou corrective nécessitant l’acheminement d’un outillage spécifique en sécurité et pour un cout optimisé. L’appareil principal est constitué de la plateforme élévatrice avec ses systèmes de translation, et de fixation alternée au mât de l’éolienne. Son principe est le suivant : La plateforme équipée de châssis coulissants « a » et «b » et de vérins permet le mouvement de translation verticale le long du mât. Le principe consiste à translater le châssis qui n’est momentanément pas assujetti au mat. La séquence consiste à alterner les mouvements des deux châssis dans le sens de la montée ou de la descente. Une option possible intègre un guidage dans le plan horizontal entre les deux sous-ensembles du châssis permettant un calage angulaire de l’outillage dans le plan du mât. Des colliers enserrent le mât et des courroies sont alternativement serrées ou relâchées pour assujettir ou libérer les châssis « a » et « b » en fonction de la séquence de montée, descente ou maintien en position. Les colliers sont intégrés dans une structure dépliable « cage » assemblée puis verrouillée lors de son montage en position basse du mât. Ce dispositif permet d’enserrer le mât, et de « libérer » les courroies en cours de translation. La fixation de la plateforme « a » au mât, et la reprise des efforts associés aux manutentions est obtenue par adhérence de semelles revêtues d’élastomère plaquées au mât par le serrage des colliers. Des variantes sont prévues : Une première variante du dispositif intègre une mise en dépression de la surface de contact (utilisation d’une pompe à vide partiel, asservissement et séquences associées) Une deuxième variante intègre le conditionnement de la surface du mât en fonction des paramètres environnementaux (nettoyage à l’eau douce, séchage, autres). Le contrôle de la course et des efforts développés par le (ou les) vérins(s) de translation est asservi aux charges à manutentionner. Un outillage spécifique à contrôle actif d’effort et de courses permet de soumettre l’extrémité libre d’une pale à des contraintes alternées en flexion et en torsion. Cette variante est associée à une méthode de CND et de caractérisation de la raideur des pales qui elle, relève de l’état de l’art. La plateforme « a » et son équipement de manutention est conçue et dimensionnée en fonction du cas d’utilisation et du « design » de l’éolienne. Deux modes de fonctionnement en « levage » sont possibles suivant la finalité de l’opération : Translation en charge de la plateforme (montée ou descente) Translation « à vide » de la plateforme et levage par treuils et mouflage. Dans ce cas précis les deux châssis coulissants sont assujettis au mât pendant l’opération de levage.  Trois versions à minima sont prévues. Version lourde « 3a » avec un grand portique extensible pour les travaux tels que le montage initial (CMU typique 40 t voire bien plus) Version intermédiaire « 3b » avec une flèche orientable et un collier préhenseur dédiée au remplacement de pales (CMU typique 10 à 20 t) Version légère « 3c » pour déploiement rapide et travaux d’inspections, CND, ou réparations « in situ » L’ensemble du dispositif est conçu pour être piloté à distance depuis le niveau « 0 m » et les fonctions de translation et de fixation au mât sont redondantes, auto contrôlées et capables de replier le dispositif en position de sécurité. Un mode de fonctionnement dégradé est intégré pour pouvoir manœuvrer en cas de disfonctionnement en ramenant le système en position basse pour intervention humaine. Toutes les marges et caractéristiques de fonctionnement sont contrôlées (axes dynamométriques contrôle d’effort, glissement, vent relatif) et retransmises à l’opérateur avec un système de supervision conforme aux normes en vigueur. Les avantages de l’invention L’ensemble du dispositif est beaucoup plus compact et léger qu’une configuration de grue(s). Sa mise en œuvre en est grandement facilitée et bien plus économique. La conception de l’outillage implique un faible encombrement et débattement des flèches et autres portiques de manutention. Ceci implique que dans une majorité de cas les conditions d’intervention en fonction des aléas météorologiques sont bien plus sures qu’avec les solutions actuelles. Il est prévu que les opérations de manutention soient réalisées sans opérateur ou personnel sur la plateforme. Une retransmission télévisuelle ainsi que des dispositifs de visée optique et de télémétrie sont intégrés aux outillages de manutention, préhension associés à la plateforme. Ceci permet un guidage final des pièces depuis le poste de commande avec la garantie d’une excellente précision de positionnement inhérente à la conception des outillages portés. Le cas précis du remplacement des pales avec centrage dans leurs logements est réalisé sans aucune présence humaine sur le moyeu du rotor 1- Le principe de la plateforme élévatrice fixée au mât par serrage de colliers et intégrant un système de translation verticale, ainsi qu’un positionnement radial et angulaire des équipements de manutention associés. 2- Le principe d’adhérence renforcée sur le mât par semelle élastomère intégrant une dépressurisation pilotée pour en améliorer la capacité de liaison après serrage du (des) collier(s) associé(s). 3 - Le principe de conditionnement de la surface d’appui par nettoyage et séchage éventuel 4 - Le principe d’un portique de manutention télescopique et articulé à la plateforme suivant les variantes identifiées en fonction du type de charge , des masses à manutentionner et leur position relative au mât. 5 - Le principe d’un outillage fixé rigidement à la plateforme et conçu pour exercer des efforts en flexion et/ou torsion d’une pale pour une caractérisation de sa raideur dans l’optique d’un suivi de l’état structurel (CND). 6 – Le principe d’un pilotage à distance télévisuel et avec une télémétrie pour certaines opérations de positionnement nécessitant une grande précision sans intervention humaine à proximité du composant (exemple d’un emboitement d’une pale dans le moyeu du rotor). 7 – Le principe de la cage articulée et de son développement initial autour du mat pour la mise en place des courroies de serrage. 8 – Le principe d’extendeurs pilotés pour écarter la (les) courroie(s) desserrées autour du mât pendant la translation ou le montage / démontage de la plateforme élévatrice. 9 – Le principe d’un véhicule porteur (terrestre, maritime) équipé d’un outillage spécial pour positionner la plateforme élévatrice ainsi que son dispositif de cage et de courroies pour la phase de montage / démontage de l’outillage complet sur la partie inférieure du mât de l’éolienne. 10 – le principe d’une alimentation électrique, pneumatique ou hydraulique de secours intégrée à la plateforme pour assurer un fonctionnement dégradé et une mise en sécurité en cas d’anomalie telle que la rupture de la liaison filaire entre le poste de commande et la plateforme