ISO 7919-4:2009
(Main)Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts — Part 4: Gas turbine sets with fluid-film bearings
Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts — Part 4: Gas turbine sets with fluid-film bearings
ISO 7919-4:2009 establishes provisions for evaluating the severity of in-situ, broad-band shaft vibration measured radial (i.e. transverse) to the shaft axis at, or close to, the main bearings. These are in terms of - vibration under normal steady-state operating conditions; - vibration during other (non-steady-state) conditions when transient changes are taking place, including run up or run down, initial loading and load changes; - changes in vibration which can occur during normal steady-state operation. ISO 7919-4:2009 is applicable to heavy-duty gas turbine sets used in electrical and mechanical drive applications, with fluid-film bearings, outputs greater than 3 MW and an operating speed range under load between 3 000 r/min and 30 000 r/min. This includes gas turbines coupled to other rotating machinery either directly or through a gearbox. In some cases, ISO 7919-4:2009 is not applicable to the evaluation of the vibration of the coupled equipment.
Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les arbres tournants — Partie 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide
Ll'ISO 7919-4:2009 établit des dispositions pour évaluer la sévérité in situ des vibrations en bande large des arbres, mesurées radialement (c'est-à-dire transversalement) par rapport à l'axe de l'arbre au droit ou à proximité des paliers principaux. Il s'agit: des vibrations dans des conditions normales de fonctionnement en régime permanent; des vibrations dans d'autres conditions (en régime non permanent), lorsque des fluctuations transitoires interviennent, notamment pendant la montée en vitesse ou le ralentissement, le chargement initial et les variations de charge; et des changements de vibrations susceptibles de se produire durant un fonctionnement normal en régime permanent. Ll'ISO 7919-4:2009 est applicable aux ensembles de turbines à gaz en service intensif utilisées dans des applications à commande électrique et mécanique, avec paliers à film fluide, des puissances développées supérieures à 3 MW et une gamme de vitesses de fonctionnement en charge comprises entre 3 000 r/min et 30 000 r/min. Cela comprend les turbines à gaz couplées à d'autres machines tournantes, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un train d'engrenages. Dans certains cas, l'ISO 7919-4:2009 n'est pas applicable à l'évaluation des vibrations du matériel couplé.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 7919-4
Second edition
2009-10-01
Mechanical vibration — Evaluation of
machine vibration by measurements on
rotating shafts —
Part 4:
Gas turbine sets with fluid-film bearings
Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des machines par
mesurages sur les arbres tournants —
Partie 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide
Reference number
ISO 7919-4:2009(E)
©
ISO 2009
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ISO 7919-4:2009(E)
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Published in Switzerland
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ISO 7919-4:2009(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.2
3 Measurement procedures.2
4 Evaluation criteria.3
4.1 General.3
4.2 Criterion I: Vibration magnitude .4
4.3 Criterion II: Change in vibration magnitude under steady-state conditions at normal
operating speed.9
4.4 Supplementary procedures/criteria.9
4.5 Evaluation based on vibration vector information .10
Annex A (normative) Evaluation zone boundaries.11
Annex B (informative) Evaluation zone boundary limits and bearing clearance .13
Bibliography.14
© ISO 2009 – All rights reserved iii
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ISO 7919-4:2009(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 7919-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition
monitoring, Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied
to machines, vehicles and structures.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 7919-4:1996), of which it constitutes a technical
revision. The main changes are:
⎯ clarification that the document applies only to gas turbine sets with fluid-film bearings;
⎯ emphasis on acceptance specifications always being agreed on between the supplier and the purchaser
of the gas turbine set prior to installation;
⎯ the addition of provisions for evaluating the vibration of coupled gas turbine sets during transient
operation;
⎯ closer alignment of this part of ISO 7919 with ISO 7919-2, ISO 10816-2 and ISO 10816-4.
ISO 7919 consists of the following parts, under the general title Mechanical vibration — Evaluation of machine
vibration by measurements on rotating shafts:
1)
⎯ Part 1: General guidelines
⎯ Part 2: Land-based steam turbines and generators in excess of 50 MW with normal operating speeds of
1 500 r/min, 1 800 r/min, 3 000 r/min and 3 600 r/min
⎯ Part 3: Coupled industrial machines
⎯ Part 4: Gas turbine sets with fluid-film bearings
⎯ Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants
1) It is anticipated that when ISO 7919-1 is revised, it will have the same general title as the other parts of ISO 7919.
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ISO 7919-4:2009(E)
Introduction
ISO 7919-1 is the basic part of ISO 7919 giving the general requirements for evaluating the vibration of various
machine types when the vibration measurements are made on rotating shafts. This part of ISO 7919 gives
specific provisions for assessing the severity of radial shaft vibration measured at, or close to, the bearings of
gas turbine sets. Measurements at these locations characterize the state of vibration reasonably well.
Evaluation criteria, based on previous experience, are presented. These can be used for assessing the
vibratory condition of such machines.
Two criteria are provided for assessing the machine vibration when operating under steady-state conditions.
One criterion considers the magnitude of the observed vibration; the second considers changes in the
magnitude. In addition, different criteria are provided for transient operating conditions. However, shaft
vibration does not form the only basis for judging the severity of vibration. For gas turbine sets, it is also
common to judge the vibration based on measurements taken on non-rotating parts. For such vibration
measurement requirements, see ISO 10816-1 and ISO 10816-4.
The evaluation procedures presented in this part of ISO 7919 are based on broad-band measurements.
However, because of advances in technology, the use of narrow-band measurements or spectral analysis has
become increasingly widespread, particularly for the purposes of vibration evaluation, condition monitoring
and diagnostics. The specification of criteria for such measurements is beyond the scope of this part of
ISO 7919. They are dealt with in greater detail in ISO 13373 (all parts), which establish provisions for the
vibration condition monitoring of machines.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 7919-4:2009(E)
Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by
measurements on rotating shafts —
Part 4:
Gas turbine sets with fluid-film bearings
1 Scope
This part of ISO 7919 establishes provisions for evaluating the severity of in-situ, broad-band shaft vibration
measured radial (i.e. transverse) to the shaft axis at, or close to, the main bearings. These are in terms of:
⎯ vibration under normal steady-state operating conditions;
⎯ vibration during other (non-steady-state) conditions when transient changes are taking place, including
run up or run down, initial loading and load changes;
⎯ changes in vibration which can occur during normal steady-state operation.
This part of ISO 7919 is applicable to heavy-duty gas turbine sets used in electrical and mechanical drive
applications, with fluid-film bearings, outputs greater than 3 MW and an operating speed range under load
between 3 000 r/min and 30 000 r/min. This includes gas turbines coupled to other rotating machinery either
directly or through a gearbox. In some cases, this part of ISO 7919 is not applicable to the evaluation of the
vibration of the coupled equipment (see the list of exclusions in this clause).
EXAMPLE For single-shaft combined-cycle power units in which a gas turbine is coupled to a steam turbine and/or
generator, the evaluation of the gas turbine vibration is according to this part of ISO 7919, but that of the steam turbine
and generator is according to ISO 7919-2 or ISO 7919-3.
This part of ISO 7919 is not applicable to the following:
a) aero-derivative gas turbines (including gas turbines with dynamic properties similar to those of aero-
derivatives);
NOTE ISO 3977-3 defines aero-derivatives as aircraft propulsion gas generators adapted to drive mechanical,
electrical or marine propulsion equipment. Large differences exist between heavy-duty and aero-derivative gas
turbines, for example in casing flexibility, bearing design, rotor to stator mass ratio and mounting structure. Different
criteria therefore apply for these two turbine types.
b) gas turbines with outputs less than or equal to 3 MW (see ISO 7919-3);
c) gas turbine driven pumps (see ISO 7919-3);
d) coupled steam turbines and/or generators with outputs less than or equal to 50 MW (see ISO 7919-3);
e) coupled steam turbines and/or generators with outputs greater than 50 MW (see ISO 7919-2);
f) synchronizing clutches which couple the gas turbine to a steam turbine or generator (see ISO 7919-2);
g) coupled compressors (see ISO 7919-3);
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ISO 7919-4:2009(E)
h) gearbox vibration (see this clause);
i) rolling element bearing vibration.
This part of ISO 7919 is applicable to other driven equipment not included in this list of exclusions.
This part of ISO 7919 is applicable to machines which can be coupled to a gearbox, but does not address the
evaluation of the vibration condition of those gears. Specialist techniques are required for evaluating the
vibration condition of gears which are outside the scope of this part of ISO 7919.
The numerical values specified are not intended to serve as the only basis for judging the severity of vibration.
For gas turbine sets, it is also common to judge the vibration based on measurements taken on non-rotating
parts. For such vibration measurement requirements, see ISO 10816-1 and ISO 10816-4.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 7919-1:1996, Mechanical vibration of non-reciprocating machines — Measurements on rotating shafts
and evaluation criteria — Part 1: General guidelines
ISO 10816-4:2009, Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating
parts — Part 4: Gas turbine sets with fluid-film bearings
3 Measurement procedures
The measurement procedures and instrumentation shall comply with the general requirements of ISO 7919-1
and are as follows.
In gas turbine sets, shaft vibration relative to the bearing is normally measured. Therefore, unless stated
otherwise, the vibration displacements referred to in this part of ISO 7919 conform to this convention. In view
of the relatively high operating speeds involved with gas turbine sets, measuring methods using non-
contacting transducers are most common and are generally preferred on rotors with operating speeds of
3 000 r/min and above.
For monitoring purposes, the measurement system shall be capable of measuring broad-band vibration over a
frequency range from 1 Hz to at least three times the maximum normal operating frequency. If, however, the
instrumentation is also used for diagnostic purposes, a wider frequency range and/or spectral analysis can be
necessary. In special cases, where significant low-frequency vibration can be transmitted to the machine, such
as in earthquake regions, it can be necessary to filter the low-frequency response of the instrumentation and/or
implement an appropriate time delay. If measurements from different machines are compared, care should be
taken to ensure that the same frequency range is used.
The locations of vibration measurements should be such that the transverse movement of the shaft at points
of importance can be assessed. Care should be taken to avoid locating measurement positions at any
vibration nodes and to ensure that the measurement equipment is not unduly influenced by external sources,
such as combustion vibration, gear mesh vibration, and airborne and structure-borne noise. Typically, this
requires measuring in two radial directions with a pair of orthogonal transducers at, or adjacent to, each main
bearing. The transducers may be placed at any angular location, but it is common practice to select locations
on the same bearing half which are either at ±45° to the vertical direction or close to the vertical and horizontal
directions.
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ISO 7919-4:2009(E)
A single radial transducer may be used in place of the more typical pair of orthogonal transducers, if it is
known to provide adequate information on the magnitude of the shaft vibration. In general, however, caution
should be observed when evaluating vibration from a single transducer at a measurement plane since it might
not be oriented to provide a reasonable approximation of the maximum value at that plane.
It is not common practice to measure axial shaft vibration on gas turbine sets.
The characteristics of the measurement system should be known with regard to the effects of the environment,
including:
a) temperature variations;
b) magnetic fields;
c) airborne and structure-borne noise;
d) power source variations;
e) cable impedance;
f) transducer cable length;
g) transducer orientation;
h) stiffness of the transducer attachment.
Particular attention should be given to ensuring that the vibration transducers are correctly mounted and that
the mounting arrangement does not degrade the accuracy of the measurement (see e.g. ISO 10817-1).
The surface of the shaft at the location of the transducer shall be smooth and free from any geometric
discontinuities, metallurgical non-homogeneities and local residual magnetism, which can cause false signals
(so-called electrical runout). The combined electrical and mechanical “slow roll” runout, as measured by the
transducer, should not exceed 25 % of the zone A/B boundary at normal operating speed (see Figure A.1 and
Table A.1).
Prior to running gas turbine sets up to speed, slow-roll measurements of shaft displacement may be carried
out. If so, the low-frequency characteristics of the measurement system shall be adequate. Such measurements
cannot normally be regarded as giving a valid indication of shaft runout under normal operating conditions
since they can be affected by, for example, temporary bows, erratic movements of the journal within the
bearing clearance and axial movements. Vector subtraction of slow-roll measurements from operating speed
vibration measurements should not be carried out without careful consideration of these factors since the
results can provide a misleading interpretation of the machine vibration (see ISO 7919-1).
4 Evaluation criteria
4.1 General
ISO 7919-1 provides a general description of the two evaluation criteria used to assess the shaft vibration on
various classes of machines. One criterion considers the magnitude of the observed broad-band shaft
vibration; the second criterion considers changes in magnitude, irrespective of whether they are increases or
decreases.
The values presented are the result of experience with machinery of this type and, if due regard is paid to
them, acceptable operation can be expected.
NOTE These values are based on previous International Standards, on the results of a survey which was carried out
when ISO 7919 (all parts) and ISO 10816 (all parts) were initially developed and on the feedback provided by the experts
of ISO/TC 108.
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ISO 7919-4:2009(E)
Criteria are presented for steady-state operating conditions at the specified normal operating speed or speeds
and load ranges, including normal slow changes in power output. Alternative criteria are also presented for
other non-steady-state conditions when transient changes are taking place. The vibration criteria represent
target values which give provisions for ensuring that gross deficiencies or unrealistic requirements are avoided.
In particular, the basic assumption for safe operation is that metal-to-metal contact between the rotating shaft
and stationary components is avoided. They serve as a basis for defining acceptance specifications (see
4.2.2.3).
The criteria relate to the vibration produced by the gas turbine set and not to vibration transmitted from outside
the machinery set. If it is suspected that there is a significant influence due to transmitted vibration (either
steady-state or intermittent), measurements should be taken with the gas turbine set shut down. If the
magnitude of the transmitted vibration is unacceptable, steps should be taken to remedy the situation.
It should be noted that an overall judgement of the vibratory state of a machine is often made on the basis of
measurements made on both rotating shafts and non-rotating parts.
4.2 Criterion I: Vibration magnitude
4.2.1 General
This criterion is concerned with defining values for shaft vibration magnitude consistent with acceptable
dynamic loads on the bearings, adequate margins on the radial clearance envelope of the machine and
acceptable vibration transmission into the support structure and foundation.
4.2.2 Vibration magnitude at normal operating speeds under steady-state operating conditions
4.2.2.1 General
The maximum shaft vibration magnitude observed at each bearing is assessed against four evaluation zones
established from international experience.
4.2.2.2 Evaluation zones
The following evaluation zones are defined to permit an assessment of the shaft vibration of a given machine
under steady-state conditions at normal operating speed (or speeds) and to provide guidelines on possible
actions.
Zone A: The vibration of newly commissioned machines normally falls within this zone.
Zone B: Machines with vibration within this zone are normally considered acceptable for unrestricted long-term
operation.
Zone C: Machines with vibration within this zone are normally considered unsatisfactory for long-term
continuous operation. Generally, the machine may be operated for a limited period in this condition until a
suitable opportunity arises for remedial action.
Zone D: Vibration values within this zone are normally considered to be of sufficient severity to cause damage
to the machine.
NOTE For transient operation, see 4.2.4.
4.2.2.3 Acceptance criteria
Acceptance criteria shall always be subject to agreement between the machine supplier and purchaser prior
to installation. The evaluation zones provide a basis for defining acceptance criteria for new or refurbished
machines.
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ISO 7919-4:2009(E)
NOTE Historically, for new machines, acceptance criteria have been specified in zone A or zone B, but would normally
not exceed 1,25 times the zone A/B boundary.
4.2.2.4 Evaluation zone boundaries
For gas turbines operating with directly coupled steam turbines and/or generators and normal operating speed
of 3 000 r/min or 3 600 r/min, the zone boundary values are given in Table A.1.
In accordance with accumulated experience of shaft vibration measurements in this field, the recommended
values for the zone boundaries, in micrometres, for other gas turbine sets with outputs greater than 3 MW are
inversely proportional to the square root of the maximum normal operating speed n (in r/min). The
recommended values for such gas turbines are given in Equations (1), (2) and (3) and illustrated in Figure A.1.
Generally the actual value used should be rounded to the nearest multiple of 5 µm:
Zone boundary A/B
4 800
S = (1)
(p−p)
n
Zone boundary B/C
9000
S = (2)
(p−p)
n
Zone boundary C/D
13 200
S = (3)
(p−p)
n
NOTE 1 For a definition of S , see ISO 7919-1.
(p–p)
The values given in Table A.1 and Figure A.1 apply to radial shaft relative vibration measurements at or close
to the bearings, when taken under steady-state conditions at normal operating speed (or speeds). The
numerical values assigned to the zone boundaries were established from representative data provided by
manufacturers and users. There was inevitably a significant spread in the data. The values given do
nevertheless give provisions for ensuring that gross deficiencies or unrealistic requirements are avoided.
Higher vibration is permitted at other measurement positions and during transient conditions (see 4.2.4).
In most cases, the values given in Table A.1 and Figure A.1 are consistent with ensuring that adequate
running clearances are maintained and that the dynamic loads transmitted to the bearing support structure
and foundation are acceptable. However, in certain cases, there can be specific features or available
experience associated with a particular machine type which can require other values (higher or lower) to be
used for the zone boundaries. The following are examples.
a) The machine vibration can be influenced by its mounting system and coupling arrangement to driven
machines. For example, higher shaft relative vibration can be expected if stiff bearing supports are used.
It may then be acceptable, based on demonstrated satisfactory operating history, to use different zone
boundary values.
b) Care should be taken to ensure that the shaft relative vibration does not indicate that the bearing
clearance is exceeded. Furthermore, it should be recognized that the allowable vibration can be related to
the journal diameter since, generally, running clearances are greater for larger diameter bearings. Where
bearings with small clearance are used, the zone boundary values given in Table A.1 and Figure A.1 may
be reduced. The degree to which the zone boundary values are to be reduced varies, dependent on the
type of bearing used (circular, elliptical, tilting pad, etc.) and the relationship between the measurement
direction and the minimum clearance. It is, therefore, not possible to give precise recommendations but
Annex B provides a representative example for a plain cylindrical bearing.
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ISO 7919-4:2009(E)
c) For relatively lightly loaded bearings or other more flexible bearings, other criteria based on the detailed
machine design may be used.
d) Where vibration measurements are made away from the bearing, other criteria may apply.
NOTE 2 Different values can apply for measurements taken at different bearings on the same rotor line.
In general, when higher zone boundary values are used, it can be necessary for technical justification to be
provided to confirm that the machine's reliability is not compromised by operating with higher vibration. This
could be based, for example, on the detailed features of the machine or on successful operating experience
with machines of similar structural design and support.
NOTE 3 This part of ISO 7919 does not provide different evaluation zone values for gas turbine sets mounted on rigid
and flexible foundations. This is consistent with ISO 10816-4, which deals with vibration on non-rotating parts for the same
class of machines. However, it is possible that this part of ISO 7919 and ISO 10816-4 will be revised in the future to give
different criteria with respect to support flexibility, if additional analysis of survey data on such machines shows it to be
warranted.
4.2.3 Operational limits for steady-state operation
4.2.3.1 General
For long-term steady-state operation, it is common practice to establish operational vibration limits. These
limits take the form of ALARMS and TRIPS.
ALARMS: To provide a warning that a defined vibration limit has been reached or a significant change has
occurred, at which remedial action may be necessary. In general, if an ALARM occurs, operation can continue
for a period whilst investigations are carried out (e.g. examine the influence of load, speed or other operational
parameters) to identify the reason for the change in vibration and to define any remedial action.
TRIPS: To specify the magnitude of vibration beyond which further operation of the machine can cause
damage. If the TRIP limit is exceeded, immediate action should be taken to reduce the vibration or the
machine should be shut down.
Different operational limits, reflecting differences in dynamic loading and support stiffness, may be specified
for different measurement positions and directions.
4.2.3.2 Setting of ALARMS
The ALARM limits may vary for individual machines. It is recommended that the values chosen normally be
set relative to baseline values determined from experience for the measurement position or direction for that
particular machine.
It is recommended that the ALARM limit be set higher than the baseline by an amount equal to 25 % of the
zone boundary B/C. The ALARM limit should not normally exceed 1,25 times the zone boundary B/C. If the
baseline value is low, the ALARM limit may be less than the zone B/C boundary.
Where there is no established baseline (e.g. with a new machine), the initial ALARM setting should be based
either on experience with other similar machines or relative to agreed acceptance values. In cases where no
such data are available, the ALARM limit for steady-state operation at normal operating speed should not
exceed the zone boundary B/C. After a period of time, the steady-state baseline values become established
and the ALARM setting should be adjusted accordingly.
Where the vibration signal is non-steady and non-repetitive, some method of averaging is required.
If the steady-state baseline changes (e.g. after a machine overhaul), the ALARM setting should be revised
accordingly. Different operational ALARM settings may subsequently exist for different measurement positions
on the machine, reflecting differences in dynamic loading and bearing support stiffness.
An example of establishing ALARM limits is given in ISO 10816-4:2009, Annex B.
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ISO 7919-4:2009(E)
4.2.3.3 Setting of TRIPS
The TRIP limits generally relate to the mechanical integrity of the machine and are dependent on any specific
design features which have been introduced to enable the machine to withstand abnormal dynamic forces.
The values used are generally the same for all machines of similar design and would not normally be related
to the steady-state baseline value used for setting ALARMS.
There can be differences for machines of different design and it is not possible to give more precise guidelines
for absolute TRIP limits. In general, the TRIP limit is within zone C or D, but it is recommended that it not
exceed 1,25 times the zone boundary C/D. However, experience with a specific machine may prescribe a
different limit.
Gas turbine sets are often controlled by an automatic control system, which
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 7919-4
Deuxième édition
2009-10-01
Vibrations mécaniques — Évaluation des
vibrations des machines par mesurages
sur les arbres tournants
Partie 4:
Turbines à gaz à paliers à film fluide
Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by
measurements on rotating shafts
Part 4: Gas turbine sets with fluid-film bearings
Numéro de référence
ISO 7919-4:2009(F)
©
ISO 2009
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ISO 7919-4:2009(F)
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ISO 7919-4:2009(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.vi
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.2
3 Modes opératoires de mesurage .2
4 Critères d'évaluation .4
4.1 Généralités .4
4.2 Critère I: Amplitude des vibrations.4
4.3 Critère II: Variation de l'amplitude des vibrations dans des conditions de régime
permanent à une vitesse normale de fonctionnement.10
4.4 Modes opératoires/critères supplémentaires.11
4.5 Évaluation fondée sur les informations relatives aux vecteurs de vibrations.11
Annexe A (normative) Limites des zones d'évaluation.12
Annexe B (informative) Limites des zones d'évaluation et jeu de palier .14
Bibliographie.15
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ISO 7919-4:2009(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 7919-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques, et leur
surveillance, sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les
machines, les véhicules et les structures.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 7919-4:1996), qui fait l'objet d'une
révision technique. Les principales modifications sont:
⎯ la clarification du fait que le document ne s'applique qu'aux ensembles de turbines à gaz avec paliers à
film fluide;
⎯ l'insistance sur le fait que les spécifications d'acceptation fassent toujours l'objet d'un accord entre le
fournisseur et l'acheteur de l'ensemble de turbines à gaz avant installation.
⎯ l'ajout de dispositions pour évaluer les vibrations des ensembles de turbines à gaz couplées durant un
fonctionnement transitoire;
⎯ un meilleur alignement entre la présente partie de l'ISO 7919 et l'ISO 7919-2, l'ISO 10816-2 et
l'ISO 10816-4.
L'ISO 7919 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Vibrations mécaniques —
Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les arbres tournants:
1)
⎯ Partie 1: Directives générales
⎯ Partie 2: Turbines à vapeur et alternateurs pour applications terrestres, excédant 50 MW avec des
vitesses normales de fonctionnement de 1 500 r/min, 1 800 r/min, 3 000 r/min et 3 600 r/min
⎯ Partie 3: Machines industrielles couplées
1) Il est anticipé que, lors de la révision de l'ISO 7919-1, elle aura le même titre général que les autres parties de
l'ISO 7919.
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ISO 7919-4:2009(F)
⎯ Partie 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide
⎯ Partie 5: Machines équipant les centrales hydroélectriques et les stations de pompage
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ISO 7919-4:2009(F)
Introduction
L'ISO 7919-1 est la partie de référence de l'ISO 7919 qui fournit les exigences générales pour l'évaluation des
vibrations de divers types de machines lorsque les mesurages des vibrations sont effectués sur des arbres
tournants. La présente partie de l'ISO 7919 donne des dispositions spécifiques concernant l'évaluation de la
sévérité vibratoire radiale des arbres mesurée au droit ou à proximité des paliers des ensembles de turbines à
gaz. Les mesurages effectués à ces endroits reflètent l'état vibratoire de manière raisonnablement acceptable.
Les critères d'évaluation présentés, fondés sur l'expérience passée, peuvent être utilisés pour l'évaluation du
régime vibratoire des machines de ce type.
Deux critères sont fournis pour évaluer les vibrations des machines lorsqu'elles fonctionnent dans des
conditions de régime permanent. Le premier tient compte de l'amplitude des vibrations observées, alors que
le second tient compte des variations d'amplitude. De plus, différents critères sont fournis pour des conditions
de fonctionnement transitoire. Cependant, les vibrations des arbres ne constituent pas l'unique référence
d'évaluation de la sévérité vibratoire. Pour les ensembles de turbines à gaz, il est également courant d'évaluer
les vibrations en fonction des mesurages effectués sur les parties non tournantes. Pour des exigences sur ces
mesurages des vibrations, voir l'ISO 10816-1 et l'ISO 10816-2.
Les modes opératoires d'évaluation présentés dans la présente partie de l'ISO 7919 sont basés sur des
mesurages en bande large. Cependant, grâce aux progrès de la technologie, l'utilisation de mesurages en
bande étroite ou de l'analyse spectrale est de plus en plus répandue, en particulier pour l'évaluation des
vibrations, pour la surveillance et aux fins de diagnostics. Les spécifications de critères relatifs à ces mesurages
ne relèvent pas du domaine d'application de la présente partie de l'ISO 7919. Ceux-ci sont traités plus en détail
dans l'ISO 13373 (toutes les parties), qui fournit des dispositions pour la surveillance de l'état vibratoire des
machines.
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NORME INTERNATIONALE ISO 7919-4:2009(F)
Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des
machines par mesurages sur les arbres tournants
Partie 4:
Turbines à gaz à paliers à film fluide
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 7919 établit des dispositions pour évaluer la sévérité in situ des vibrations en bande
large des arbres, mesurées radialement (c'est-à-dire transversalement) par rapport à l'axe de l'arbre au droit ou
à proximité des paliers principaux. Il s'agit:
⎯ des vibrations dans des conditions normales de fonctionnement en régime permanent;
⎯ des vibrations dans d'autres conditions (en régime non permanent), lorsque des fluctuations transitoires
interviennent, notamment pendant la montée en vitesse ou le ralentissement, le chargement initial et les
variations de charge;
⎯ des changements de vibrations susceptibles de se produire durant un fonctionnement normal en régime
permanent.
La présente partie de l'ISO 7919 est applicable aux ensembles de turbines à gaz en service intensif utilisées
dans des applications à commande électrique et mécanique, avec paliers à film fluide, des puissances
développées supérieures à 3 MW et une gamme de vitesses de fonctionnement en charge comprises entre
3 000 r/min et 30 000 r/min. Cela comprend les turbines à gaz couplées à d'autres machines tournantes, soit
directement, soit par l'intermédiaire d'un train d'engrenages. Dans certains cas, la présente partie de
l'ISO 7919 n'est pas applicable à l'évaluation des vibrations du matériel couplé (voir ci-dessous la liste des
exclusions).
EXEMPLE Pour des unités de puissance à cycle combiné à un arbre dans lesquelles une turbine à gaz est couplée
à une turbine à vapeur et/ou à une génératrice, l'évaluation des vibrations de la turbine à gaz s'effectue conformément à la
présente partie de l'ISO 7919, mais celle de la turbine à vapeur et de la génératrice s'effectue conformément à
l'ISO 7919-2 ou l'ISO 7919-3.
La présente partie de l'ISO 7919 n'est pas applicable aux éléments suivants:
a) turbines à gaz aérodérivatives (y compris les turbines à gaz avec des propriétés dynamiques similaires à
celles des turbines à gaz aérodérivatives);
NOTE L'ISO 3977-3 définit les aérodérivatives comme étant des générateurs de gaz de propulsion d'aéronefs
adaptés à commander un matériel de propulsion mécanique, électrique ou pour la marine. II existe de grandes
différences entre les turbines à gaz en service intensif et aérodérivatives en ce qui concerne, par exemple, la
souplesse du carter, la conception des paliers, le rapport de masse entre rotor et stator et la structure de montage.
En conséquence, des critères différents s'appliquent pour ces deux types de turbines.
b) turbines à gaz avec des puissances développées inférieures ou égales à 3 MW (voir l'ISO 7919-3);
c) pompes entraînées par des turbines à gaz (voir l'ISO 7919-3);
d) turboalternateurs et/ou alternateurs avec des puissances développées inférieures ou égales à 50 MW
(voir l'ISO 7919-3);
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ISO 7919-4:2009(F)
e) turboalternateurs et/ou alternateurs avec des puissances développées supérieures à 50 MW
(voir l'ISO 7919-2);
f) embrayages de synchronisation couplant la turbine à gaz à une turbine à vapeur ou à une génératrice
(voir l'ISO 7919-2);
g) compresseurs couplés (voir l'ISO 7919-3);
h) vibrations des trains d'engrenages (voir cet article);
i) vibrations des paliers à roulements.
La présente partie de l'ISO 7919 est applicable aux autres matériels entraînés non inclus dans la liste des
exclusions.
La présente partie de l'ISO 7919 est applicable aux machines pouvant être couplées à un train d'engrenages,
mais ne traite pas de l'évaluation des conditions vibratoires de ces engrenages. Des techniques spécialisées
sont nécessaires pour évaluer les conditions vibratoires des engrenages qui sont en dehors du domaine
d'application de la présente partie de l'ISO 7919.
Les valeurs numériques spécifiées ne constituent pas l'unique référence d'évaluation de la sévérité vibratoire.
Pour les ensembles des turbines à gaz, il est également courant d'évaluer les vibrations en fonction des
mesurages effectués sur les parties non tournantes. Pour des exigences sur ces mesurages des vibrations,
voir l'ISO 10816-1 et l'ISO 10816-2.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 7919-1:1996, Vibrations mécaniques des machines non alternatives — Mesurages sur les arbres
tournants et critères d'évaluation — Partie 1: Directives générales
ISO 10816-4:2009, Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les
parties non tournantes — Parties 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide
3 Modes opératoires de mesurage
Les modes opératoires et les instruments de mesurage doivent être conformes aux exigences générales de
l'ISO 7919-1 et sont comme suit.
Pour les turbines à gaz, les vibrations de l'arbre au droit des paliers sont normalement mesurées. C'est
pourquoi, sauf indications contraires, les déplacements des vibrations auxquels se réfère la présente partie de
l'ISO 7919 sont conformes à cette convention. En raison des vitesses de fonctionnement relativement
grandes des ensembles de turbines à gaz, les méthodes de mesurage à l'aide de transducteurs sans contact
sont les plus couramment utilisées et sont en général préférables pour les rotors dont les vitesses de
fonctionnement sont de 3 000 r/min et au-delà.
Pour la surveillance, le système de mesurage doit pouvoir mesurer les vibrations en bande large sur une plage
de fréquences allant de 1 Hz jusqu'à au moins trois fois la vitesse normale de fonctionnement maximale.
Toutefois, si les instruments servent également au diagnostic, une gamme de fréquences plus étendue et/ou
une analyse spectrale peuvent être nécessaires. Dans certains cas particuliers où des vibrations significatives
à basse fréquence peuvent être transmises à la machine, par exemple dans les zones sismiques, il peut être
nécessaire de filtrer la réponse basse fréquence des instruments et/ou d'introduire un retard approprié. Si les
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ISO 7919-4:2009(F)
valeurs résultant des mesurages effectués sur des machines différentes sont comparées, il convient de
s'assurer que la même gamme de fréquences a été utilisée.
Il convient que les emplacements des mesurages de vibrations soient tels que l'on puisse évaluer le
mouvement transversal de l'arbre en certains points particuliers. Il convient de veiller à éviter de placer les
positions de mesurage sur des nœuds de vibrations et de s'assurer que le matériel de mesurage ne subit pas
l'influence néfaste de sources externes, telles que la vibration de la combustion, la vibration des engrenages,
les bruits aériens et les bruits solidiens. Cela nécessite généralement un mesurage dans deux directions
radiales avec une paire de transducteurs orthogonaux au droit de chaque palier principal ou adjacents à
chacun. Les transducteurs peuvent être placés dans n'importe quelle position angulaire, mais il est d'usage de
choisir des positions sur la même moitié de palier qui sont soit à ± 45 ° par rapport à la verticale, soit proches
de la verticale et de l'horizontale.
On peut utiliser un transducteur radial unique au lieu de la paire plus typique de transducteurs orthogonaux, si
l'on sait qu'il donne des renseignements suffisants sur l'amplitude des vibrations de l'arbre. Toutefois, en
général, il convient de prendre des précautions lorsqu'on évalue les vibrations avec un seul transducteur au
niveau d'un plan de mesurage, puisque le transducteur risque de ne pas être orienté de manière à donner
une approximation suffisante de la valeur maximale au niveau de ce plan.
Il n'est pas habituel de mesurer les vibrations axiales des arbres sur des ensembles de turbines à gaz.
Il convient de connaître les caractéristiques du système de mesurage en ce qui concerne les effets de
l'environnement; elles comprennent:
a) les écarts de température;
b) les champs magnétiques;
c) les bruits aériens et les bruits solidiens;
d) les variations de la source d'énergie;
e) l'impédance des câbles;
f) la longueur de câble du transducteur;
g) l'orientation du transducteur;
h) la rigidité de la fixation du transducteur.
Il convient d'accorder une attention particulière au fait que les transducteurs de détection de vibrations soient
correctement montés et que l'agencement de montage n'altère pas la précision du mesurage (voir par
exemple l'ISO 10817-1).
La surface de l'arbre à l'emplacement du transducteur doit être lisse et exempte de toute discontinuité
géométrique, défaut d'homogénéité métallurgique et magnétisme local résiduel, susceptibles de provoquer de
faux signaux (dits défauts électriques). Il convient que les défauts électriques et mécaniques combinés à
«faible vitesse», mesurés par le transducteur, ne dépassent pas 25 % de la limite de zone A/B à la vitesse
normale de fonctionnement (voir la Figure A.1 et le Tableau A.1).
Avant que les ensembles de turbines à gaz n'atteignent leur vitesse, des mesurages de déplacement d'arbre à
faible vitesse peuvent être effectués. Dans ce cas les caractéristiques à basse fréquence du système de
mesurage doivent être convenables. On ne peut généralement pas considérer que ces mesurages fournissent
une indication valable du faux-rond des arbres dans les conditions normales de fonctionnement, car ces
conditions peuvent être affectées par, par exemple, des flèches transitoires, des mouvements irréguliers du
tourillon dans le coussinet et des déplacements axiaux. Il convient de ne pas effectuer une soustraction
vectorielle des mesurages à faible vitesse par rapport aux mesurages de vibrations à vitesse de
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ISO 7919-4:2009(F)
fonctionnement sans étudier précisément ces facteurs, car les résultats peuvent fournir une interprétation
trompeuse des vibrations de la machine (voir l'ISO 7919-1).
4 Critères d'évaluation
4.1 Généralités
L'ISO 7919-1 donne une description générale des deux critères d'évaluation utilisés pour évaluer les
vibrations des arbres sur diverses catégories de machines. Le premier critère tient compte de l'amplitude des
vibrations en bande large des arbres observées, le second tient compte des modifications d'amplitude, qu'il
s'agisse d'augmentations ou de diminutions.
Les valeurs ici définies résultent de l'expérience avec des machines de ce type et, lorsque celles-ci sont
convenablement entretenues, elles permettent un fonctionnement acceptable.
NOTE Ces valeurs sont basées sur des Normes internationales antérieures, sur les résultats d'une étude qui a été
effectuée lorsque l'ISO 7919 (toutes les parties) et l'ISO 10816 (toutes les parties) ont été initialement élaborées, et sur le
retour des experts de l'ISO/TC 108.
Des critères sont présentés pour les conditions de fonctionnement en régime permanent à la vitesse ou aux
vitesses normales de fonctionnement et aux plages de charges spécifiées, incluant les variations lentes
normales de la puissance développée. D'autres critères sont également présentés pour d'autres conditions en
régime non permanent lorsque des fluctuations transitoires se produisent. Les critères de vibrations
représentent des valeurs cibles fournissant des dispositions pour éviter des insuffisances graves ou des
exigences irréalistes. En particulier, l'hypothèse de base d'un fonctionnement sûr consiste à éviter tout contact
métal sur métal entre l'arbre tournant et les pièces fixes. Elles servent de base pour définir les spécifications
d'acceptation (voir 4.2.2.3).
Les critères concernent les vibrations produites par l'ensemble de turbines à gaz, et non les vibrations
transmises depuis l'extérieur à l'ensemble de machines. Si l'on soupçonne une influence significative due aux
vibrations transmises (soit en régime permanent, soit intermittent), il convient d'effectuer des mesurages
lorsque l'ensemble de turbines à gaz est à l'arrêt. Si l'amplitude des vibrations transmises est inacceptable, il
convient de prendre des mesures pour remédier à cette situation.
Il convient de noter qu'une évaluation globale de l'état vibratoire d'une machine repose souvent sur des
mesurages effectués sur les arbres tournants et sur les parties non tournantes.
4.2 Critère I: Amplitude des vibrations
4.2.1 Généralités
Ce critère porte sur la définition des valeurs de l'amplitude des vibrations des arbres cohérentes avec des forces
dynamiques acceptables des paliers, des déplacements radiaux (jeux) convenables et une transmission
acceptable des vibrations au support et aux fondations.
4.2.2 Amplitude des vibrations à des vitesses normales de fonctionnement dans des conditions de
fonctionnement en régime permanent
4.2.2.1 Généralités
L'amplitude maximale des vibrations des arbres, observée au droit de chaque palier, est évaluée par rapport à
quatre zones d'évaluation établies par expérience au niveau international.
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4.2.2.2 Zones d'évaluation
Les zones d'évaluation suivantes sont définies pour permettre d'effectuer une évaluation des vibrations des
arbres d'une machine donnée dans des conditions de régime permanent à une ou à des vitesses normales de
fonctionnement et pour donner des lignes directrices quant aux éventuelles mesures à prendre.
Zone A: Les vibrations des machines nouvellement mises en service appartiennent normalement à cette zone.
Zone B: Les machines dont les vibrations appartiennent à cette zone sont normalement considérées comme
acceptables pour un fonctionnement de longue durée sans la moindre restriction.
Zone C: Les machines dont les vibrations appartiennent à cette zone sont normalement considérées non
satisfaisantes pour un fonctionnement continu de longue durée. D'une manière générale, la machine peut être
exploitée pendant une période limitée dans ces conditions dans l'attente d'une occasion permettant de prendre
des mesures correctives.
Zone D: Les valeurs de vibrations appartenant à cette zone sont normalement considérées comme
suffisamment importantes pour endommager la machine.
NOTE Pour le fonctionnement en régime transitoire, voir 4.2.4.
4.2.2.3 Critères d'acceptation
Les critères d'acceptation doivent toujours faire l'objet d'un accord entre le fournisseur de la machine et
l'acheteur, avant l'installation. Les zones d'évaluation servent de référence pour définir les critères
d'acceptation pour des machines nouvelles ou réparées.
NOTE Historiquement, pour les machines nouvelles, les critères d'acceptation ont été spécifiés dans la zone A ou la
zone B, mais ne devraient normalement pas dépasser 1,25 fois la limite de la zone A/B.
4.2.2.4 Limites des zones d'évaluation
Pour les turbines à gaz fonctionnant avec des turbines à vapeur et/ou des alternateurs à couplage direct, et à
des vitesses normales de fonctionnement de 3 000 r/min ou 3 600 r/min, les valeurs des limites de zones sont
données dans le Tableau A.1.
Selon l'expérience acquise en matière de mesurage des vibrations des arbres dans ce domaine, les valeurs
recommandées pour les limites de zone, en micromètres, pour d'autres ensembles de turbines à gaz avec
des puissances supérieures à 3 MW sont inversement proportionnelles à la racine carrée de la vitesse
normale de fonctionnement maximale n (en r/min). Les valeurs recommandées pour de telles turbines à gaz
sont données dans les Équations (1), (2) et (3) et illustrées à la Figure A.1. Il convient généralement d'arrondir
la valeur réelle utilisée au multiple le plus proche de 5 µm.
Limite de zone A/B
4 800
S = (1)
(p−p)
n
Limite de zone B/C
9000
S = (2)
(p−p)
n
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ISO 7919-4:2009(F)
Limite de zone C/D
13 200
S = (3)
(p−p)
n
NOTE 1 Pour une définition de S , voir l'ISO 7919-1.
(p–p)
Les valeurs indiquées dans le Tableau A.1 et sur la Figure A.1 s'appliquent aux mesurages des vibrations
radiales des arbres au droit ou à proximité des paliers, lorsque les mesurages sont effectués dans des
conditions de régime permanent à une ou plusieurs vitesses normales de fonctionnement. Les valeurs
numériques assignées aux limites de zone ont été établies à partir des données représentatives fournies par
les fabricants et les utilisateurs. Il se produit inévitablement une dispersion significative des données.
Néanmoins, les valeurs données fournissent des dispositions pour éviter des insuffisances graves ou des
exigences irréalistes.
Des vibrations plus importantes sont autorisées aux autres positions de mesurage et au cours de conditions
transitoires (voir 4.2.4).
Dans la plupart des cas, les valeurs données dans le Tableau A.1 et la Figure A.1 permettent de garantir que
les jeux en cours de fonctionnement sont maintenus et que les charges dynamiques transmises à la structure
de support de paliers et à la fondation sont acceptables. Toutefois, dans certains cas, des caractéristiques
particulières ou l'expérience acquise associées à un type de machine spécifique peuvent nécessiter
l'utilisation d'autres valeurs plus ou moins élevées pour les limites de zones. Ce qui suit constitue des
exemples.
a) Les vibrations de la machine peuvent être influencées par son système de montage et son installation de
couplage à des machines entraînées. On peut s'attendre, par exemple, à des vibrations relatives des
arbres plus importantes si l'on utilise des supports de paliers rigides. Il peut alors être acceptable, sur la
base d'un diagramme de fonctionnement satisfaisant et éprouvé, d'utiliser des valeurs de limites de
zones différentes.
b) Il convient de veiller à ce que les vibrations relatives des arbres n'indiquent pas que le jeu des paliers est
dépassé. Il convient d'admettre de plus que les vibrations admissibles peuvent être liées au diamètre des
tourillons car, d'une manière générale, les jeux en fonctionnement sont plus importants pour des paliers
de plus grand diamètre. Lorsqu'on utilise des paliers avec un faible jeu, les valeurs des limites de zones
indiquées dans le Tableau A.1 et la Figure A.1 peuvent être réduites. L'ampleur de la réduction des
valeurs des limites de zones varie en fonction du type de paliers utilisés (circulaires, elliptiques, paliers de
butée à segments, etc.) et de la relation entre la direction du mesurage et le jeu minimal. Il n'est par
conséquent pas possible de fournir des recommandations précises, l'Annexe B fournissant cependant un
exemple représentatif pour un palier cylindrique lisse.
c) Pour des paliers relativement peu chargés ou d'autres paliers plus souples, d'autres critères fondés sur la
structure détaillée de la machine peuvent être utilisés.
d) Lorsqu'on effectue des mesurages de vibrations loin du palier, d'autres critères peuvent s'appliquer.
NOTE 2 Différentes valeurs peuvent s'appliquer aux mesurages effectués sur différents paliers de la même ligne
rotorique.
En règle générale, lorsque l'on utilise des valeurs de limites de zone supérieures, il peut se révéler nécessaire
de faire appel à une justification technique permett
...
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