FR3116087A1 - Specific handling system and associated tools for the assembly, maintenance and dismantling of large wind turbines. - Google Patents

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Abstract

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]The system consists of a "tool holder" lifting platform to carry out the assembly, maintenance and dismantling operations of a large wind turbine. The platform performs translations along the wind turbine mast. The invention relates to the use of the mast of the wind turbine and to the associated systems necessary to carry out the translation of the platform in complete safety. The system can also be used for the initial assembly of the tower, then of the complete wind turbine. Three different configurations of tools carried are specific to the purpose of the intervention. A "heavy" version with a gantry capable of positioning all the large components of the wind turbine (nacelle, rotor, section of the mast, etc.) An "intermediate" version specifically designed to deposit / rest a blade in a vertical position. A "light" version for mechanical blade characterization tests (NDT) by measurements under bending and/or torsion stress, or even other "in situ" maintenance operations. The system, the associated tools and the method are compatible with all types and sizes of horizontal axis wind turbines, land and sea (offshore) and make it possible to do away with the cranes and other equipment used for all phases from initial assembly , maintenance, dismantling. [Fig 1]

Description

Système de manutention spécifique et outillages associées pour le montage, la maintenance et le démantèlement d’éoliennes de grandes dimensions.Specific handling system and associated tools for the assembly, maintenance and dismantling of large wind turbines.

Domaine technique: Manutentions spéciales et levage Technical area: Special handling and lifting

L’état de la techniqueState of the art

A ce jour les opérations de maintenance peuvent être réalisées avec des moyens de levage à bord des nacelles (treuil, potences)To date, maintenance operations can be carried out with lifting means on board the nacelles (winch, jibs)

Ces moyens sont généralement inadaptés pour des charges conséquentes telles qu’un alternateur ou un élément de transmission mécanique.These means are generally unsuitable for substantial loads such as an alternator or a mechanical transmission element.

Les opérations plus importantes sont réalisées avec différentes configurations de grues mobiles en fonction de la charge à manutentionner.Larger operations are carried out with different configurations of mobile cranes depending on the load to be handled.

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.The initial erection of a 2 to 3 MW onshore wind turbine with a mast of 90 to 120 m requires a giant crane of the 300 to 400 t class or more.

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.A simple blade replacement is very dependent on atmospheric conditions, which can have a considerable impact on the final cost of the operation and especially the associated safety conditions.

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.The implementation of such lifting means is accompanied by multiple and costly constraints, such as the size of road access, passages of works of art, authorizations for exceptional road convoys.

Les compétences nécessaires ainsi que l’expérience des grutiers est un facteur majeur de la réussite des opérations.The necessary skills as well as the experience of crane operators is a major factor in the success of operations.

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.Some crane builders are exploring the possibility of mounting with a tower crane parallel to the mast. This is progress on the logistical level, but it remains quite delicate and expensive to implement.

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.The development of offshore wind farms with increasingly large dimensions and unit powers will pose a real technical and economic challenge for future operators.

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.The assembly, as well as the major operations, are carried out with cranes on barges, or even special vessels with the possibility of anchoring on the bottom.

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.The costs associated with the implementation of these special means would be around 5% to 10% of the overall contract, i.e. amounts of around €M or more.

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.The method and the tools in question offer the possibility of optimizing these costs, as well as the development of specific know-how, from design to implementation.

PrincipePrinciple

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.The principle consists of using the wind turbine mast with a specific method and tool instead of a crane, whatever the model and 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.The design hypothesis (verified) is that in no case the limits of forces, whether in compression, buckling or in bending of the dimensioning of the mast are reached for the planned operations, and this with the reference safety coefficients .

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).The method and tools in question allow all initial assembly, heavy maintenance, inspection (CND for example) or even dismantling or modification of the wind turbine, whether on land or at sea (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.)Several configurations and sizing of the tools are provided depending on the specific case, and the characteristics of the wind turbine (diameter and geometry of the mast, masses to be lifted, deflections, etc.)

Quelques exemples de mise en œuvre en montage initial ou démantèlement :Some examples of implementation in initial assembly or dismantling:

Erection du mat par tronçons (futs métalliques boulonnés ou soudés, mat composite, béton ou autre par banchage coulissant, etc.)Erection of the mast in sections (bolted or welded metal shafts, composite mast, concrete or other by sliding shuttering, etc.)

Pose de la nacelle (vide ou équipée suivant le cas)Installation of the nacelle (empty or equipped as the case may be)

Pose des composants internes (transmission, arbres, alternateur, autres)Installation of internal components (transmission, shafts, alternator, others)

Pose du moyeu, voire du rotor assembléInstallation of the hub, or even the assembled rotor

Pose des pales en position verticaleInstallation of the blades in a vertical position

L’outillage et la méthode permet de réaliser toutes ces opérations dans l’ordre inverse (démantèlement)The tools and the method allow all these operations to be carried out in the reverse order (dismantling)

En maintenance :Under maintenance :

Remplacement de pales, en position verticale le long du mâtReplacement of blades, in a vertical position along the mast

Inspection des pales, CND suivant différentes configurations et procédésBlade inspection, NDT according to different configurations and processes

Dépose / repose d’un alternateur, d’un sur-multiplicateur ou autre composant.Removing / refitting an alternator, an overdrive or other component.

Toute opération de maintenance préventive ou corrective nécessitant l’acheminement d’un outillage spécifique en sécurité et pour un cout optimisé.Any preventive or corrective maintenance operation requiring the delivery of specific tools in safety and at an optimized cost.

L’appareil principal est constitué de la plateforme élévatrice avec ses systèmes de translation, et de fixation alternée au mât de l’éolienne.The main device consists of the lifting platform with its translation systems, and alternate fixing to the wind turbine mast.

Son principe est le suivant :Its principle is as follows:

La plateforme équipée de châssis coulissants « a » et «b » et de vérins permet le mouvement de translation verticale le long du mât.The platform equipped with sliding frames “a” and “b” and cylinders allows vertical translation movement along the mast.

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.The principle consists in translating the frame which is momentarily not attached to the mast. The sequence consists of alternating the movements of the two frames in the direction of the ascent or the descent.

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.A possible option integrates a guide in the horizontal plane between the two sub-assemblies of the frame allowing angular wedging of the tooling in the plane of the mast.

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.Collars enclose the mast and straps are alternately tightened or released to secure or release frames "a" and "b" depending on the sequence of raising, lowering or holding in 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.The collars are integrated into a fold-out “cage” structure assembled and then locked during assembly in the lower position of the mast. This device makes it possible to enclose the mast, and to “release” the belts during 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.The fixing of the platform "a" to the mast, and the absorption of the forces associated with handling is obtained by adhesion of soles coated with elastomer plated to the mast by tightening the collars.

Des variantes sont prévues :Variations are planned:

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)A first variant of the device integrates a depression of the contact surface (use of a partial vacuum pump, servo-control and associated sequences)

Une deuxième variante intègre le conditionnement de la surface du mât en fonction des paramètres environnementaux (nettoyage à l’eau douce, séchage, autres).A second variant integrates the conditioning of the surface of the mast according to environmental parameters (cleaning with fresh water, drying, others).

Le contrôle de la course et des efforts développés par le (ou les) vérins(s) de translation est asservi aux charges à manutentionner.Control of the stroke and the forces developed by the translation cylinder(s) is controlled by the loads to be handled.

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.Specific tooling with active force and stroke control allows the free end of a blade to be subjected to alternating bending and torsion stresses. This variant is associated with a method of NDT and characterization of the stiffness of the blades which is state of the 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.Platform "a" and its handling equipment is designed and sized according to the use case and the "design" of the wind turbine.

Deux modes de fonctionnement en « levage » sont possibles suivant la finalité de l’opération :Two “lifting” operating modes are possible depending on the purpose of the operation:

Translation en charge de la plateforme (montée ou descente)Translation in charge of the platform (up or down)

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. Translation "empty" of the platform and lifting by winches and hauling system. In this specific case, the two sliding frames are secured to the mast during the lifting operation.

Trois versions à minima sont prévues.At least three versions are planned.

Version lourde « 3a » avec un grand portique extensible pour les travaux tels que le montage initial (CMU typique 40 t voire bien plus)Heavy "3a" version with a large extendable gantry for work such as initial assembly (typical CMU 40 t or even more)

Version intermédiaire « 3b » avec une flèche orientable et un collier préhenseur dédiée au remplacement de pales (CMU typique 10 à 20 t)Intermediate "3b" version with an adjustable boom and a gripper collar dedicated to blade replacement (typical WLL 10 to 20 t)

Version légère « 3c » pour déploiement rapide et travaux d’inspections, CND, ou réparations « in situ »Lightweight "3c" version for rapid deployment and inspection work, NDT, or "in situ" repairs

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.The entire device is designed to be controlled remotely from the "0 m" level and the functions of translation and fixing to the mast are redundant, self-controlled and capable of folding the device into the safety position.

Un mode de fonctionnement dégradé est intégré pour pouvoir manœuvrer en cas de disfonctionnement en ramenant le système en position basse pour intervention humaine.A degraded operating mode is integrated to be able to maneuver in the event of a malfunction by bringing the system back to the low position for human intervention.

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.All margins and operating characteristics are checked (dynamometer axes, force control, slip, relative wind) and transmitted to the operator with a supervision system that complies with the standards in force.

Les avantages de l’inventionThe advantages of the 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.The whole device is much more compact and lighter than a configuration of crane(s). Its implementation is greatly facilitated and much more economical.

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.The design of the tools implies a small footprint and travel of the jibs and other handling gantries. This implies that in a majority of cases the conditions of intervention according to meteorological hazards are much safer than with current solutions.

Il est prévu que les opérations de manutention soient réalisées sans opérateur ou personnel sur la plateforme.It is expected that the handling operations will be carried out without an operator or personnel on the platform.

Une retransmission télévisuelle ainsi que des dispositifs de visée optique et de télémétrie sont intégrés aux outillages de manutention, préhension associés à la plateforme.A television broadcast as well as optical sighting and telemetry devices are integrated into the handling and gripping tools associated with the platform.

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.This allows final guidance of the parts from the control station with the guarantee of excellent positioning precision inherent in the design of the mounted tools.

Le cas précis du remplacement des pales avec centrage dans leurs logements est réalisé sans aucune présence humaine sur le moyeu du rotorThe specific case of replacing the blades with centering in their housings is carried out without any human presence on the rotor hub

Claims (10)

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.1- The principle of the lifting platform fixed to the mast by tightening collars and incorporating a vertical translation system, as well as radial and angular positioning of the associated handling equipment. 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).2- The principle of reinforced grip on the mast by an elastomer sole incorporating controlled depressurization to improve its binding capacity after tightening the associated collar(s). 3 - Le principe de conditionnement de la surface d’appui par nettoyage et séchage éventuel3 - The principle of conditioning the support surface by cleaning and possibly drying 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.4 - The principle of a telescopic handling gantry articulated to the platform according to the variants identified according to the type of load, the masses to be handled and their position relative to the mast. 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).5 - The principle of a tool rigidly fixed to the platform and designed to exert forces in bending and/or torsion of a blade for a characterization of its stiffness with a view to monitoring the structural state (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).6 – The principle of televisual remote control and with telemetry for certain positioning operations requiring high precision without human intervention near the component (example of a blade fitting into the hub of the 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.7 – The principle of the articulated cage and its initial development around the mast for the installation of the tightening straps. 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.8 – The principle of controlled extenders to spread the loose belt(s) around the mast during translation or assembly / disassembly of the lifting platform. 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.9 – The principle of a carrier vehicle (land, sea) equipped with special tools to position the lifting platform as well as its cage and belt device for the assembly / disassembly phase of the complete tooling on the lower part of the wind turbine mast. 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 plateforme10 – the principle of an emergency electrical, pneumatic or hydraulic power supply integrated into the platform to ensure degraded operation and safety in the event of an anomaly such as the breaking of the wired connection between the control station and the platform
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