ISO 20816-4:2018
(Main)Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 4: Gas turbines in excess of 3 MW, with fluid-film bearings
Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 4: Gas turbines in excess of 3 MW, with fluid-film bearings
This document is applicable to land-based gas turbines with fluid-film bearings and power outputs greater than 3 MW and an operating speed under load between 3 000 r/min and 30 000 r/min. In some cases (see the list of exclusions below), this includes other rotating machinery coupled either directly or through a gearbox. The evaluation criteria provided in this document are applicable to the vibration of the main input and output bearings of the gearbox but are not applicable to the vibration of the internal gearbox bearings nor to the assessment of the condition of those gears. Specialist techniques required for evaluating the condition of gears are outside the scope of this document. This document is not applicable to the following: i) gas turbines with power outputs greater than 40 MW at rated speeds of 1 500 r/min, 1 800 r/min, 3 000 r/min or 3 600 r/min (see ISO 20816-2); ii) 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. iii) gas turbines with outputs less than or equal to 3 MW (see ISO 7919-3 and ISO 10816-3); iv) turbine driven generators (see ISO 20816-2, ISO 7919-3 and ISO 10816-3); v) turbine driven pumps (see ISO 10816-7); vi) turbine driven rotary compressors (see ISO 7919-3 and ISO 10816-3); vii) the evaluation of gearbox vibration (see this clause) but does not preclude monitoring of gearbox vibration; viii) the evaluation of combustion vibration but does not preclude monitoring of combustion vibration; ix) rolling element bearing vibration. This document establishes provisions for evaluating the severity of the following in-situ broad-band vibrations: a) structural vibration at all main bearing housings or pedestals measured radial (i.e. transverse) to the shaft axis; b) structural vibration at thrust bearing housings measured in the axial direction; c) vibration of rotating shafts radial (i.e. transverse) to the shaft axis at, or close to, the main bearings. These are in terms of the following: - 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.
Vibrations mécaniques — Mesurage et évaluation des vibrations de machines — Partie 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide, excédant 3 MW
Le présent document est applicable aux turbines à gaz à paliers à film fluide pour applications terrestres, avec des puissances utiles excédant 3 MW et une vitesse de fonctionnement en charge comprise entre 3 000 r/min et 30 000 r/min. Dans certains cas (voir ci-dessous la liste des exclusions), cela comprend les autres machines tournantes, couplées soit directement, soit par l'intermédiaire d'un train d'engrenages. Les critères d'évaluation fournis dans le présent document sont applicables aux vibrations des paliers principaux d'entrée et de sortie du train d'engrenages, mais ils ne sont pas applicables aux vibrations des paliers de la boîte d'engrenage, ni à l'évaluation des conditions vibratoires de ces engrenages. Les techniques spécialisées nécessaires pour évaluer l'état des engrenages sont en dehors du domaine d'application du présent document. Le présent document n'est pas applicable aux éléments suivants: i) turbines à gaz avec des puissances utiles excédant 40 MW et des vitesses nominales de 1 500 r/min, 1 800 r/min, 3 000 r/min ou 3 600 r/min (voir l'ISO 20816-2); ii) turbines à gaz aérodérivatives (y compris les turbines à gaz avec des propriétés dynamiques similaires à celles des aérodérivatifs); NOTE L'ISO 3977-3 définit les aérodérivatifs comme des générateurs de gaz de propulsion d'aéronef adaptés pour entraîner des équipements mécaniques, électriques ou de propulsion marine. Il existe de grandes différences entre les turbines à gaz en service intensif et les turbines à gaz aérodérivatives, par exemple en termes de souplesse du carter, de conception des paliers, de rapport de masse rotor-stator et de structure de montage. Par conséquent, des critères différents s'appliquent pour ces deux types de turbines. iii) turbines à gaz avec des puissances utiles inférieures ou égales à 3 MW (voir l'ISO 7919-3 et ISO 10816-3); iv) générateurs entrainés par des turbines (voir l'ISO 20816-2, ISO 7919-3 et l'ISO 10816-3); v) pompes entraînées par des turbines (voir l'ISO 10816-7); vi) compresseurs rotatifs entrainés par des turbines (voir l'ISO 7919-3 et l'ISO 10816-3); vii) les modes opératoires d'évaluation des vibrations du train d'engrenage (voir le présent article) mais n'empêche pas la surveillance des vibrations du train d'engrenage; viii) les modes opératoires d'évaluation des vibrations de la combustion mais n'empêche pas la surveillance des vibrations de la combustion; ix) vibrations des paliers à roulements. Le présent document fournit des dispositions concernant l'évaluation de la sévérité in situ des vibrations en bande large suivantes: a) vibrations de la structure de tous les corps ou supports de paliers principaux, mesurées radialement (c'est-à-dire transversalement) par rapport à l'axe de l'arbre; b) vibrations de la structure des corps de paliers de butée, mesurées axialement; c) vibrations des arbres tournants, 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 se produisent, y compris 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.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20816-4
First edition
2018-06
Mechanical vibration — Measurement
and evaluation of machine
vibration —
Part 4:
Gas turbines in excess of 3 MW, with
fluid-film bearings
Vibrations mécaniques — Mesurage et évaluation des vibrations de
machines —
Partie 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide, excédant 3 MW
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
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Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 2
3 Terms and definitions . 2
4 Measurement procedures . 2
4.1 General . 2
4.2 Measurements of vibration of non-rotating parts . 3
4.3 Measurements of vibration of rotating shafts . 5
5 Evaluation criteria . 6
5.1 General . 6
5.2 Criterion I: vibration magnitude . 7
5.2.1 General. 7
5.2.2 Vibration magnitude at rated speed under steady-state operating conditions . 7
5.2.3 Operational limits for steady-state operation . 9
5.2.4 Vibration magnitude during non-steady-state conditions (transient operation) 10
5.3 Criterion II: change in vibration magnitude under steady-state conditions at rated
speed .12
5.4 Supplementary procedures/criteria .13
5.5 Evaluation based on vibration vector information .13
Annex A (normative) Evaluation zone boundaries for vibration of non-rotating parts .14
Annex B (normative) Evaluation zone boundaries for vibration of rotating shafts .15
Annex C (informative) Example of setting ALARM and TRIP values .17
Annex D (informative) Cautionary notes about the use of vibration velocity criteria at low
rotational speeds .18
Annex E (informative) Evaluation zone boundary limits and bearing clearance .20
Bibliography .21
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.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
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. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: www .iso .org/iso/foreword .html.
This document 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 first edition of ISO 20816-4 cancels and replaces ISO 7919-4:2009 and ISO 10816-4:2009, which
have been technically revised. It also incorporates the Amendments ISO 7919-4/Amd.1:2017 and
ISO 10816-4/Amd.1:2017.
The main change is that the scope has been reduced to exclude large gas turbines with power outputs
greater than 40 MW, fluid-film bearings and rated speeds of 1 500 r/min, 1 800 r/min, 3 000 r/min or
3 600 r/min. Such gas turbines are now covered by ISO 20816-2.
A list of all parts in the ISO 20816 series can be found on the ISO website.
iv © ISO 2018 – All rights reserved
Introduction
Documents in the ISO 20816 series have been and are being developed to combine and supersede the
ISO 7919 and ISO 10816 series.
ISO 20816-1 is the basic part of the ISO 20816 series that gives the general requirements for evaluating
the vibration of various machine types when the vibration measurements are made on both non-
rotating and rotating parts. ISO 20816-2 deals with the measurement and evaluation of machine
vibration of large gas turbines with certain rotational speeds.
This document provides specific provisions for assessing the vibration of the bearing housings or
pedestals and rotating shafts of those gas turbines which are not covered by ISO 20816-2. 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. In those cases where there is a high ratio between the mass of the bearing supports and the
rotor, lower values of vibration of the bearing housings or pedestals can be appropriate.
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.
The evaluation procedures presented in this document 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 document. They are provided in greater detail in the relevant parts of ISO 13373 which establish
provisions for the vibration condition monitoring of machines.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 20816-4:2018(E)
Mechanical vibration — Measurement and evaluation of
machine vibration —
Part 4:
Gas turbines in excess of 3 MW, with fluid-film bearings
1 Scope
This document is applicable to land-based gas turbines with fluid-film bearings and power outputs
greater than 3 MW and an operating speed under load between 3 000 r/min and 30 000 r/min. In some
cases (see the list of exclusions below), this includes other rotating machinery coupled either directly or
through a gearbox. The evaluation criteria provided in this document are applicable to the vibration of
the main input and output bearings of the gearbox but are not applicable to the vibration of the internal
gearbox bearings nor to the assessment of the condition of those gears. Specialist techniques required
for evaluating the condition of gears are outside the scope of this document.
This document is not applicable to the following:
i) gas turbines with power outputs greater than 40 MW at rated speeds of 1 500 r/min, 1 800 r/min,
3 000 r/min or 3 600 r/min (see ISO 20816-2);
ii) 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.
iii) gas turbines with outputs less than or equal to 3 MW (see ISO 7919-3 and ISO 10816-3);
iv) turbine driven generators (see ISO 20816-2, ISO 7919-3 and ISO 10816-3);
v) turbine driven pumps (see ISO 10816-7);
vi) turbine driven rotary compressors (see ISO 7919-3 and ISO 10816-3);
vii) the evaluation of gearbox vibration (see this clause) but does not preclude monitoring of gearbox
vibration;
viii) the evaluation of combustion vibration but does not preclude monitoring of combustion vibration;
ix) rolling element bearing vibration.
This document establishes provisions for evaluating the severity of the following in-situ broad-band
vibrations:
a) structural vibration at all main bearing housings or pedestals measured radial (i.e. transverse) to
the shaft axis;
b) structural vibration at thrust bearing housings measured in the axial direction;
c) vibration of rotating shafts radial (i.e. transverse) to the shaft axis at, or close to, the main bearings.
These are in terms of the following:
— 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.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements 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 20816-1:2016, Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1:
General guidelines
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
4 Measurement procedures
4.1 General
The measurement procedures and instrumentation shall comply with the general requirements given
in ISO 20816-1.
ISO 20816-1, as well as this document, cover vibration of non-rotating parts and rotating shafts.
However, this does not mean that both sets of measurements shall be taken on any particular machine.
The choice of whether to measure vibration of non-rotating parts, rotating shafts or a combination
of both is dependent on the particular application and shall always be agreed between the machine
supplier and purchaser prior to installation. As a general guidance, it should be noted that bearing cap
vibration is more sensitive where the rotor mass is large and the pedestal is flexible, whereas relative
shaft vibration is more sensitive where the pedestal is large and stiff, and the rotor light and flexible.
The characteristics of the measurement system should be known with regard to the effects of the
environment. Care should be taken to ensure that the measurement equipment is not unduly influenced
by external sources, including
a) temperature variations,
b) electromagnetic fields,
c) airborne and structure-borne noise, e.g. from gear mesh vibration or combustion vibration or
neighbouring machines,
d) transducer power source variations,
e) cable impedance,
f) transducer cable length,
2 © ISO 2018 – All rights reserved
g) transducer orientation, and
h) structural characteristics of the transducer attachment.
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.
If measurements at different times or from different machines are compared, care should be taken to
ensure that the same frequency range is used and the data should be taken with the machine operating
under stable conditions at the same rotational speed and load.
4.2 Measurements of vibration of non-rotating parts
For monitoring purposes, the measurement system shall be capable of measuring broad-band vibration
over a frequency range from 10 Hz to at least three times the maximum normal operating frequency
or 500 Hz, whichever is greater. If, however, the instrumentation is also used for diagnostic purposes,
a wider frequency range and/or spectral analysis can be necessary. For example, in cases where the
frequency corresponding to the first resonance speed (critical speed) of the coupled rotors is below
10 Hz, the lower limit of the linear range of the measurement system shall be reduced accordingly.
If the measurement is carried out using a velocity transducer and measurements below 10 Hz are
required, it is important to linearize the velocity signal. This is particularly important when evaluating
vibration velocity at lower speeds (see ISO 2954).
The locations of vibration measurements should be such that they provide adequate sensitivity to the
dynamic forces of the machine. Typically, it involves measuring in two radial directions on each main
bearing cap or pedestal with a pair of orthogonal transducers, as shown in Figure 1 and Figure 2. The
transducers may be placed at any angular location on the bearing housings or pedestals, although
vertical and horizontal directions (i.e. principal stiffness directions) are usually preferred.
A single radial transducer may be used on a bearing cap or pedestal in place of the more typical pair
of orthogonal transducers if it is known to provide adequate information on the magnitude of the
machine 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 vibration on the main radial load carrying bearings for
continuous operational monitoring. Such measurements are primarily used during periodic vibration
surveys or for diagnostic purposes. Hence, in this document, axial vibration criteria are only provided
for thrust bearings where the vibration severity can be judged using the same criteria as for radial
vibration (see Table A.1). For other bearings, where there are no axial restraints, a less stringent
requirement may be used for the evaluation of axial vibration, provided that ancillary pipework and
equipment are not adversely affected.
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 2954 and ISO 5348).
Key
a
Direction of measurement.
NOTE The evaluation criteria in this document are applicable to radial vibration on all main bearings and to
axial vibration on thrust bearings.
Figure 1 — Typical measuring points and directions on bearing pedestals and bearing caps
4 © ISO 2018 – All rights reserved
Key
a
Direction of measurement.
NOTE The evaluation criteria in this document are applicable to radial vibration on all main bearings and to
axial vibration on thrust bearings.
Figure 2 — Typical measuring points and directions on a gas turbine bearing
4.3 Measurements of vibration of rotating shafts
Shaft relative vibration (i.e. the vibration of the rotating shaft relative to the supporting structure)
measurements are the preferred measurement quantity for shaft vibration of gas turbines.
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 or
500 Hz, whichever is greater. If, however, the instrumentation is also used for diagnostic purposes, a
wider frequency range (e.g. up to six times the maximum normal operating frequency) and/or spectral
analysis can be necessary.
The locations of vibration measurements should be such that the transverse movement of the shaft at
points of importance can be assessed. Typically, it involves 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 (top dead centre 12 o’clock position) or close to the vertical and
horizontal directions (see Figure 3).
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 exercised 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 turbines. Where measurements
of axial position are made using non contacting transducers and are included within the vibration
monitoring system, the assessment of the signal is not covered within this document.
Key
1 signal conditioning units
2 to signal processing
3 optional transducer orientations
4 shaft
5 non-contacting transducers
Figure 3 — Schematic diagram for measurement of relative motion of the shaft using non-
contacting transducers
Particular attention shall 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).
As far as is practically possible, 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 rated speed (see Figure B.1).
Prior to running gas turbines up to rated 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. Subtraction of slow-roll measurements
from rated 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 20816-1).
5 Evaluation criteria
5.1 General
ISO 20816-1 provides a general description of the two evaluation criteria used to assess the vibration
of various classes of machines.
a) One criterion considers the magnitude of the observed broad-band vibration;
6 © ISO 2018 – All rights reserved
b) 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 The values presented are based on previous International Standards, on the results of a survey which
was carried out when the predecessor standards (see Foreword) were initially developed and on the feedback
provided by users.
Criteria are presented for steady-state operating conditions at the specified rated speed 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
test specifications (see 5.2.2.3).
The evaluation criteria relate to the vibration produced by the gas turbine and not to vibration
transmitted from outside the machine. 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
machine shut down. If the magnitude of the transmitted vibration is unacceptable, steps should be
taken to remedy the situation.
5.2 Criterion I: vibration magnitude
5.2.1 General
This criterion is concerned with defining values for 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.
5.2.2 Vibration magnitude at rated speed under steady-state operating conditions
5.2.2.1 General
The maximum vibration magnitude observed at each measurement location is assessed against four
evaluation zones.
5.2.2.2 Evaluation zones
The evaluation zones are defined to permit an assessment of the vibration of a given machine under
steady-state conditions at rated speed and to provide guidelines on possible actions.
Zone A: The vibration of newly commissioned machines normally falls within this zone.
NOTE 1 The effort required to achieve vibration within zone A can be disproportionate and unnecessary.
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 2 For transient operation, see 5.2.4.
5.2.2.3 Acceptance criteria
Acceptance criteria should always be subject to agreement between the machine supplier and purchaser
and prior negotiation is encouraged.
The evaluation zones provide a basis for defining acceptance criteria for new or refurbished machines
but the numerical values assigned to the zone boundaries are not themselves intended to serve as
acceptance specifications.
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.
Different acceptance criteria can be agreed upon based on specific design characteristics and/or fleet
experience with similar units.
Acceptance tests shall be carried out under clearly defined duration and operating parameters (e.g.
load, temperature, pressure).
After major component replacement, maintenance or service activities, acceptance criteria shall take
into account the scope of activity and the vibration behaviour prior to servicing.
5.2.2.4 Evaluation zone boundaries
The zone boundary values are given in Annexes A and B. Annex A shall be used for radial vibration of
non-rotating parts at all bearings and axial vibration of thrust bearing housings. Annex B shall be used
for shaft relative vibration.
The zone boundaries apply to vibration measurements taken under steady-state conditions at rated
speed. 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 but
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 5.2.4).
In most cases, the values given in Annexes A and B are consistent with ensuring that the dynamic
loads transmitted to the bearing support structure and foundation are acceptable and that running
clearances are maintained. 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. Examples are given in a) to e).
a) The machine vibration can be influenced by its mounting system. For example, higher shaft relative
vibration can be expected if stiff bearing supports are used. Conversely, for flexible bearing
supports, lower shaft relative vibration can be expected. It can then be acceptable, based on
demonstrated satisfactory operating history, to use different zone boundary values.
b) Lower vibration on non-rotating parts may apply where there is a high ratio (e.g. 10:1) between
the structural mass associated with the bearing (e.g. pedestal and casing mass) and rotor mass.
In such cases, it can be acceptable, based on satisfactory operating history, to use different zone
boundary values.
c) 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 Annex B
may be reduced. The degree to which the zone boundary values are to be reduced varies, dependent
on the type of bearing used (e.g. 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 E provides a representative example for a plain cylindrical bearing.
8 © ISO 2018 – All rights reserved
d) Other criteria based on the detailed machine design may be used for relatively lightly loaded
bearings or other more flexible bearings whose static load is highly sensitive to rotor alignment.
e) Where shaft vibration measurements are made away from the bearing, other criteria may apply.
NOTE 1 This document does not provide different evaluation zone values for machines mounted on rigid and
flexible foundations. However, this document might 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.
Different values can apply for measurements taken at different measurement locations on the same
rotor line.
In general, when higher zone boundary values are used, it can be necessary to provide technical
justification 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.
The common measurement parameter for assessing machine vibration on non-rotating parts is velocity.
Annex A presents the evaluation zone boundaries based on broad-band RMS (root-mean-square) velocity
measurements. In some cases, however, it was customary to measure vibration with instruments
scaled to read peak rather than RMS vibration velocity values. If the vibration consists mainly of one
frequency component (e.g. for gas turbines it is common for the vibration to be predominantly at the
operating frequency of the machine), a simple relationship exists between the peak and RMS values.
In such cases, the zone boundaries of Annex A can be readily expressed as zero-to-peak values by
multiplying by √2. Alternatively, the measured peak vibration values can be divided by √2 and judged
against the RMS criteria of Annex A. This approach cannot be used for complex waveforms with more
than one significant frequency component.
NOTE 2 There is no general factor to relate the true peak value to the RMS value.
5.2.3 Operational limits for steady-state operation
5.2.3.1 General
For long-term steady-state operation at rated speed, 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 can be necessary. In general, if an ALARM occurs, operation can
continue for a period while 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 at which
point any remedial action can be required.
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.
Different operational limits, reflecting differences in dynamic load and support stiffness, may be
specified for different measurement positions and directions.
5.2.3.2 Setting of ALARMS
The ALARM limits can vary for individual machines. The values chosen should 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 (i.e. less than 75 % of the zone boundary B/C), the ALARM limit can be
less than the zone B/C boundary (see the example in Annex C).
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 rated 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.
As explained in 5.2.2.4, suitable adjustments can be required to the shaft vibration ALARMS for units
with small bearing and/or seal clearances (see Annex E).
Where the vibration signal is non-steady and non-repetitive, some method of averaging is required.
Further detailed investigation of the cause of such behaviour is strongly recommended.
If the steady-state baseline changes (e.g. after a machine overhaul), the ALARM setting should be revised
accordingly. Different operational ALARM settings can subsequently exist for different measurement
positions on the machine, reflecting differences in, for example, dynamic load and bearing support
stiffness.
An example of establishing ALARM limits is given in Annex C.
5.2.3.3 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 should not
exceed 1,25 times the zone boundary C/D. However, experience with a specific machine can prescribe a
different limit.
As explained in 5.2.2.4, suitable adjustments can be required to the shaft vibration TRIPS for units with
small bearing and/or seal clearances (see Annex E).
Gas turbines can be controlled by an automatic control system which shuts down the machine if
the TRIP vibration limits are exceeded. In order to avoid unnecessary trips due to spurious signals,
it is common practice to adopt a control logic using multiple transducers and to define a time delay
before any automatic action is initiated to shut down the machine. Therefore, if a vibration TRIP signal
is received, an action to proceed should only be acted upon if the signal is confirmed by at least two
independent transducers and exceeds the defined limit for a specified finite delay time. Typically, a
delay time in the range of 1 s to 3 s should be adequate to prevent premature tripping due to spurious
signals while avoiding extreme damage due to prolonged exposure to high vibration. It might also be
prudent to introduce a second alarm or warning to alert operators, so that corrective action (e.g. load
reduction or other manufacturer's recommendations) can be taken to avoid tripping the unit.
Where the machine is subject to low-frequency vibration transmitted from an external source (e.g. in
an earthquake zone), then it can be necessary to filter the signal and/or implement an appropriate time
delay to avoid any nuisance trips.
5.2.4 Vibration magnitude during non-steady-state conditions (transient operation)
5.2.4.1 General
The vibration values given in Annexes A and B are specified with regard to the long-term operation of
the gas turbine at the specified steady-state operating conditions. Higher vibration can be tolerated
during the time that it takes for the gas turbine to reach thermal equilibrium when the operating
conditions are changing at rated speed and during run up or run down. These higher values can exceed
the steady-state ALARM and TRIP limits specified in 5.2.3. For such cases, a “trip multiplier” may be
introduced which automatically raises the ALARM and TRIP limits for the period until steady-state
conditions are established (see 5.2.4.4).
10 © ISO 2018 – All rights reserved
For gas turbines operating under non-steady-state conditions, such transient changes, which strongly
influence the vibration behaviour, are generally associated with thermal variations (e.g. due to
temperature changes during initial loading and load changes) and speed changes (e.g. run up, run
down). Special design features are introduced to deal with such conditions, but it is inevitable that
there are greater variations in the experienced vibration during speed changes (e.g. run up, run down)
and while thermal changes are taking place (e.g. during start up, initial loading and load changes).
As with the steady-state vibration, any acceptance criteria for specific cases shall be subject to
agreement between the machine supplier and purchaser. However, provisions are given in this clause
which should ensure that gross deficiencies or unrealistic requirements are avoided.
For machines with synchronizing clutches, vibration step changes can occur due to normal variations
in axial expansion and clutch engagement angle.
5.2.4.2 Vibration magnitude during transient operation at rated speed
This includes operation at no load, initial loading or during rapid load or power factor changes and
any other operational conditions of relatively short duration. During such conditions, the vibration
magnitude shall normally be considered to be acceptable provided it does not exceed the zone boundary
C/D. The TRIP and ALARM limits should be adjusted accordingly.
5.2.4.3 Vibration magnitude during run up, run down and overspeed
The gas turbine shall have been adequately conditioned prior to running up to ensure that there
are no temporary bends or bows present which would cause abnormal excitation. In particular, it is
recommended that, where appropriate, a period of barring with the turning gear engaged and/or low-
speed rotation be carried out before commencing to run up. Following this, if the gas turbine is fitted
with shaft vibration transducers, slow-roll measurements may be carried out to assess the amount of
shaft displacement obtained at low speed (where the measurements are not influenced by the lowest
resonance speed), when stable bearing oil films have been established but centrifugal effects are
negligible. The shaft displacement measured at this speed, together with other reference parameters,
should be checked to be within previously established satisfactory experience. Such checks provide a
basis for judging whether the state of the shaft line is satisfactory; for example, whether a temporary
bend is present in the shaft or whether there is any lateral or angular misalignment between couplings
(“crank effect”). Furthermore, during the run up, it is recommended that the vibration be assessed
before a resonance speed is reached and compared with typical vibration vectors obtained under the
same conditions during previous satisfactory runs. If any significant differences are observed, it can
be advisable to take further action before proceeding (e.g. hold or reduce speed until the vibration
stabilizes or returns to previous values, carry out a more detailed investigation or check operational
parameters).
If there is no provision for barring or for measuring slow roll shaft displacement, observe alternative
recommendations given by the supplier.
During run up, it can be necessary to hold at a particular speed (e.g. to allow temperature matching
or during gas turbine purging). If so, care should be taken to ensure that there is an adequate margin
between the hold speed and any resonance speeds where significant amplification of the vibration could
occur. The specification of vibration limits during run up, run down and overspeed can vary depending
on particular machine constructional features or the specific operational requirements. For example,
higher vibration values can be acceptable for a base load production machine for which there is only a
small number of starts, whereas more stringent limits can apply for a machine which undergoes regular
two-shift operation and can be subject to specific time constraints for achieving guaranteed output
levels. Furthermore, the vibration magnitude when passing through resonance speeds during run up
and run down are strongly influenced by the damping and, to a lesser extent, by the rate of change of
speed (for the sensitivity of machines to unbalance, see ISO 21940-31).
Different ALARM limits from those adopted for normal steady-state operating conditions apply during
run up, run down and overspeed. They should normally be set relative to established values determined
from experience during run up, run down or overspeed for the particular machine. It is recommended
that the ALARM limit during run up, run down and overspeed be set above these values by an amount
equal to 25 % of the zone boundary B/C for the rated speed.
In those cases where no reliable established data are available, the ALARM limit during run up, run
down or overspeed should not exceed the values given in Table 1.
Table 1 — ALARM limit during run up, run down or overspeed
Speed range Vibration of non-rotating parts Shaft relative vibration
(in relation to rated speed) (see Table A.1) (see Formulae (B.1), (B.2), (B.3)
and Figure B.1)
<20 % n/a (see Note) 1,5 × C/D boundary
20 % to 90 % 1,0 ×
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 20816-4
Première édition
2018-06
Vibrations mécaniques — Mesurage
et évaluation des vibrations de
machines —
Partie 4:
Turbines à gaz à paliers à film fluide,
excédant 3 MW
Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine
vibration —
Part 4: Gas turbines in excess of 3 MW, with fluid-film bearings
Numéro de référence
©
ISO 2018
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Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 2
3 Termes et définitions . 2
4 Modes opératoires de mesurage . 2
4.1 Généralités . 2
4.2 Mesurage des vibrations des parties non tournantes . 3
4.3 Mesurage des vibrations des arbres tournants . 5
5 Critères d'évaluation . 6
5.1 Généralités . 6
5.2 Critère I: amplitude des vibrations . 7
5.2.1 Généralités . 7
5.2.2 Amplitude des vibrations à vitesse nominale dans des conditions
de fonctionnement en régime permanent . 7
5.2.3 Limites de fonctionnement en régime permanent . 9
5.2.4 Amplitude des vibrations dans des conditions de régime non permanent
(fonctionnement en régime transitoire) .11
5.3 Critère II: variation de l'amplitude des vibrations dans des conditions de régime
permanent à vitesse nominale .14
5.4 Modes opératoires/critères supplémentaires .14
5.5 Évaluation fondée sur les informations relatives aux vecteurs de vibrations .15
Annexe A (normative) Limites des zones d'évaluation des vibrations des parties
non tournantes .16
Annexe B (normative) Limites des zones d'évaluation des vibrations des arbres tournants .17
Annexe C (informative) Exemple de positionnement des valeurs d'ALARME et
de DÉCLENCHEMENT .19
Annexe D (informative) Notes de mise en garde relatives à l'utilisation des critères
de vitesse de vibrations à des vitesses de rotation faibles .20
Annexe E (informative) Limites des zones d'évaluation et jeu des paliers .22
Bibliographie .23
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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L'attention est attirée 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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/avant -propos.
Le présent document a été élaboré 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 première édition de l’ISO 20816-4 annule et remplace l’ISO 7919-4:2009 et l’ISO 10816-4:2009,
qui ont fait l’objet d’une révision technique. Elle incorpore également les amendements ISO 7919-4/
Amd.1:2017 et ISO 10816-4/Amd.1:2017.
La modification principale est que le domaine d’application a été réduit pour exclure les turbines à gaz
de grande taille avec des puissances utiles excédant 40 MW et des vitesses nominales de 1 500 r/min,
1 800 r/min, 3 000 r/min et 3 600 r/min. Ces turbines à gaz sont désormais traitées dans l’ISO 20816-2.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 20816 se trouve sur le site Web de l’ISO.
iv © ISO 2018 – Tous droits réservés
Introduction
Les documents de la série ISO 20816 ont été et sont élaborés en vue de fusionner et remplacer les séries
des ISO 7919 et ISO 10816.
L'ISO 20816-1 est la partie de référence de la série ISO 20816 qui fournit les exigences générales pour
l'évaluation des vibrations de divers types de machines lorsque les mesurages des vibrations sont
effectués sur des parties tournantes et non tournantes. L’ISO 20816-2 traite des mesurages et de
l'évaluation des vibrations de turbines à gaz ayant certaines vitesses de rotations.
Le présent document fournit des dispositions spécifiques concernant l'évaluation des vibrations
des corps ou supports de paliers et des arbres tournants des turbines à gaz qui ne sont pas traitées
dans l’ISO 20816-2. 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. Dans les cas où
le rapport entre la masse des supports de paliers et celle du rotor est élevé, l'utilisation de valeurs de
vibrations inférieures peut être appropriée pour les corps ou supports de paliers.
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, des critères différents sont fournis
pour les conditions de fonctionnement transitoire.
Les modes opératoires d'évaluation décrits dans le présent document 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 pour les diagnostics. La spécification des critères relatifs à ces mesurages ne
relève pas du domaine d'application du présent document. Ces critères sont fournis plus en détail dans
les parties pertinentes de l'ISO 13373, qui fournissent des dispositions concernant la surveillance des
vibrations des machines.
NORME INTERNATIONALE ISO 20816-4:2018(F)
Vibrations mécaniques — Mesurage et évaluation des
vibrations de machines —
Partie 4:
Turbines à gaz à paliers à film fluide, excédant 3 MW
1 Domaine d'application
Le présent document est applicable aux turbines à gaz à paliers à film fluide pour applications terrestres,
avec des puissances utiles excédant 3 MW et une vitesse de fonctionnement en charge comprise entre
3 000 r/min et 30 000 r/min. Dans certains cas (voir ci-dessous la liste des exclusions), cela comprend les
autres machines tournantes, couplées soit directement, soit par l'intermédiaire d'un train d'engrenages.
Les critères d'évaluation fournis dans le présent document sont applicables aux vibrations des paliers
principaux d’entrée et de sortie du train d'engrenages, mais ils ne sont pas applicables aux vibrations
des paliers de la boîte d'engrenage, ni à l'évaluation des conditions vibratoires de ces engrenages. Les
techniques spécialisées nécessaires pour évaluer l’état des engrenages sont en dehors du domaine
d'application du présent document.
Le présent document n'est pas applicable aux éléments suivants:
i) turbines à gaz avec des puissances utiles excédant 40 MW et des vitesses nominales de 1 500 r/min,
1 800 r/min, 3 000 r/min ou 3 600 r/min (voir l'ISO 20816-2);
ii) turbines à gaz aérodérivatives (y compris les turbines à gaz avec des propriétés dynamiques
similaires à celles des aérodérivatifs);
NOTE L'ISO 3977-3 définit les aérodérivatifs comme des générateurs de gaz de propulsion d'aéronef
adaptés pour entraîner des équipements mécaniques, électriques ou de propulsion marine. Il existe de
grandes différences entre les turbines à gaz en service intensif et les turbines à gaz aérodérivatives, par
exemple en termes de souplesse du carter, de conception des paliers, de rapport de masse rotor-stator et de
structure de montage. Par conséquent, des critères différents s'appliquent pour ces deux types de turbines.
iii) turbines à gaz avec des puissances utiles inférieures ou égales à 3 MW (voir l'ISO 7919-3 et
ISO 10816-3);
iv) générateurs entrainés par des turbines (voir l’ISO 20816-2, ISO 7919-3 et l’ISO 10816-3);
v) pompes entraînées par des turbines (voir l'ISO 10816-7);
vi) compresseurs rotatifs entrainés par des turbines (voir l’ISO 7919-3 et l’ISO 10816-3);
vii) les modes opératoires d’évaluation des vibrations du train d’engrenage (voir le présent article) mais
n’empêche pas la surveillance des vibrations du train d’engrenage;
viii) les modes opératoires d’évaluation des vibrations de la combustion mais n’empêche pas la
surveillance des vibrations de la combustion;
ix) vibrations des paliers à roulements.
Le présent document fournit des dispositions concernant l'évaluation de la sévérité in situ des vibrations
en bande large suivantes:
a) vibrations de la structure de tous les corps ou supports de paliers principaux, mesurées radialement
(c'est-à-dire transversalement) par rapport à l'axe de l'arbre;
b) vibrations de la structure des corps de paliers de butée, mesurées axialement;
c) vibrations des arbres tournants, 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 se produisent, y compris 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.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences 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 20816-1:2016, Vibrations mécaniques — Mesurage et évaluation des vibrations de machines —
Partie 1: Lignes directrices générales
3 Termes et définitions
Aucun terme n’est défini dans le présent document.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques pour l'utilisation en normalisation
aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à: http: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à: http: //www .electropedia .org/
4 Modes opératoires de mesurage
4.1 Généralités
Les modes opératoires et les instruments de mesurage doivent être conformes aux exigences générales
fournies dans l'ISO 20816-1.
L’ISO 20816-1 ainsi que le présent document couvrent les vibrations des parties non tournantes et des
arbres tournants. Toutefois, cela ne signifie pas que les deux séries de mesurages doivent être effectuées
sur une machine en particulier. Le choix de mesurer les vibrations des parties non tournantes et/ou des
arbres tournants dépend de l'application considérée et doit toujours être convenu entre le fournisseur
de la machine et l'acheteur avant l'installation. En règle générale, il convient de noter que les vibrations
de support de palier sont plus sensibles lorsque la masse du rotor est élevé et le support flexible, alors
que les vibrations relatives de l’arbre sont plus sensibles lorsque le support est de grande raille et que le
rotor est léger et flexible.
Il convient de connaître les caractéristiques du système de mesurage en ce qui concerne les effets de
l'environnement. Il convient de s'assurer que le matériel de mesurage ne subit pas l'influence néfaste de
sources externes, parmi lesquelles:
a) les écarts de température;
b) les champs électromagnétiques;
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
c) les bruits aériens et les bruits solidiens, provenant par exemple de la vibration des engrenages ou
de la vibration de la combustion ou des machines avoisinantes;
d) les variations de la source d'énergie du transducteur;
e) l'impédance des câbles;
f) la longueur du câble du transducteur;
g) l'orientation du transducteur; et
h) les caractéristiques structurales de la fixation du transducteur.
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.
Si les valeurs résultant de mesurages effectués sur des machines différentes ou à des moments
différents sont comparées, il convient de s'assurer que la même gamme de fréquences a été utilisée et
de relever les données lorsque la machine fonctionne dans des conditions stables avec la même vitesse
de rotation et la même charge.
4.2 Mesurage des vibrations des parties non tournantes
Pour la surveillance, le système de mesurage doit pouvoir mesurer les vibrations en bande large dans
une gamme de fréquences allant de 10 Hz à au moins trois fois la fréquence normale de fonctionnement
maximale ou 500 Hz, la valeur la plus élevée étant retenue. Toutefois, si les instruments servent
également au diagnostic, une gamme de fréquences plus étendue et/ou une analyse spectrale peuvent
être nécessaires. Par exemple, si la fréquence correspondant à la première vitesse de résonance (vitesse
critique) des rotors couplés est inférieure à 10 Hz, la limite inférieure de la plage linéaire du système de
mesurage doit être abaissée en conséquence.
Si le mesurage est effectué à l'aide d'un transducteur de vitesse et que des mesurages en deçà de 10 Hz
sont nécessaires, il est important de linéariser le signal de vitesse. Cela est particulièrement important
lors de l'évaluation de la vitesse de vibrations à des vitesses de rotation inférieures (voir l’ISO 2954).
Il convient d'effectuer le mesurage des vibrations à des endroits offrant une sensibilité suffisante aux
forces dynamiques de la machine. Cela implique généralement un mesurage dans deux directions
radiales sur chaque chapeau ou support de palier principal avec une paire de transducteurs
orthogonaux, comme illustré à la Figure 1 et à la Figure 2. Les transducteurs peuvent être placés dans
n'importe quelle position angulaire sur les corps ou supports de paliers, mais il est d'usage de suivre les
directions horizontale et verticale (c'est-à-dire les principaux axes de rigidité).
Il est admis d'utiliser un transducteur radial unique sur un chapeau ou support de palier à la place de la
paire de transducteurs orthogonaux, plus courante, s'il est établi que celui-ci donne des renseignements
suffisants sur l'amplitude des vibrations de la machine. Toutefois, en général, il convient de prendre
des précautions au moment d'évaluer 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
raisonnable de la valeur maximale au niveau de ce plan.
Il n'est pas d'usage de mesurer les vibrations axiales sur les paliers principaux portant la charge radiale
dans le cadre de la surveillance continue du fonctionnement. Ce type de mesurage est principalement
utilisé pour les contrôles périodiques des vibrations ou à des fins de diagnostic. De ce fait, dans le
présent document, les critères de vibrations axiales ne sont indiqués que pour les paliers de butée
dont il est possible de déterminer la sévérité vibratoire en utilisant les mêmes critères que pour les
vibrations radiales (voir Tableau A.1). Pour les autres paliers, pour lesquels il n'existe pas de contrainte
axiale, il est admis d'utiliser une exigence moins stricte pour évaluer les vibrations axiales, à condition
que les tuyauteries et équipements auxiliaires ne subissent pas de répercussions négatives.
Il convient d'accorder une attention particulière au fait que les transducteurs de détection de vibrations
soient correctement montés et que la configuration de montage n'altère pas la précision du mesurage
(voir par exemple l'ISO 2954 et l’ISO 5348).
Légende
a
Direction de mesurage.
NOTE Les critères d'évaluation du présent document sont applicables aux vibrations radiales de tous les
paliers principaux et aux vibrations axiales des paliers de butée.
Figure 1 — Points et directions de mesurage types sur supports et chapeaux de palier
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
Légende
a
Direction de mesurage.
NOTE Les critères d'évaluation du présent document sont applicables aux vibrations radiales de tous les
paliers principaux et aux vibrations axiales des paliers de butée.
Figure 2 — Points et directions de mesurage types sur un palier de turbine à gaz
4.3 Mesurage des vibrations des arbres tournants
Les mesurages des vibrations relatives des arbres (c’est-à-dire, des vibrations de l'arbre tournant par
rapport à la structure de support) sont privilégiés pour les vibrations des arbres des turbines à gaz.
Pour la surveillance, le système de mesurage doit pouvoir mesurer les vibrations en bande large dans
une gamme de fréquences allant de 1 Hz à au moins trois fois la fréquence normale de fonctionnement
maximale ou 500 Hz, la valeur la plus élevée étant retenue. Toutefois, si les instruments servent
également au diagnostic, une gamme de fréquences plus étendue (par exemple, jusqu'à six fois la
fréquence normale de fonctionnement maximale) et/ou une analyse spectrale peuvent être nécessaires.
Il convient d'effectuer le mesurage des vibrations à des endroits offrant la possibilité d'évaluer le
mouvement transversal de l'arbre en certains points stratégiques. Cela implique généralement un
mesurage dans deux directions radiales à l'aide d'une paire de transducteurs orthogonaux placés 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 se trouvent soit à ± 45° de la verticale (point mort haut à 12 heures), soit à proximité de la
verticale et de l'horizontale (voir Figure 3).
Il est admis d'utiliser un transducteur radial unique à la place de la paire de transducteurs orthogonaux,
plus courante, s'il est établi que celui-ci donne des renseignements suffisants sur l'amplitude des
vibrations de l'arbre. Toutefois, en général, il convient de prendre des précautions au moment d'évaluer
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 raisonnable de la valeur maximale
au niveau de ce plan.
Il n'est pas d'usage de mesurer les vibrations axiales des arbres sur les turbines à gaz. Pour les
mesurages de la position axiale effectués à l'aide de transducteurs sans contact et inclus dans le système
de surveillance des vibrations, l'évaluation du signal n'est pas couverte par le présent document.
Légende
1 unités de traitement du signal
2 vers le traitement du signal
3 orientations facultatives du transducteur
4 arbre
5 transducteurs sans contact
Figure 3 — Représentation schématique du mesurage du mouvement relatif de l'arbre à l'aide
de transducteurs sans contact
Une attention particulière doit être accordée au fait que les transducteurs de détection de vibrations
soient correctement montés et que la configuration de montage n'altère pas la précision du mesurage
(voir par exemple l'ISO 10817-1).
Autant que possible, la surface de l'arbre au niveau de la position 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 «à faible vitesse» combinés, mesurés par le transducteur, ne dépassent pas
25 % de la limite de zone A/B à vitesse nominale (voir Figure B.1).
Avant de faire fonctionner des turbines à gaz jusqu'à leur vitesse nominale, il est admis d'effectuer des
mesurages de déplacement d'arbre à faible vitesse. Dans ce cas, les caractéristiques à basse fréquence
du système de mesurage doivent être adéquates. Il n'est généralement pas possible de considérer
que ces mesurages fournissent une indication valable du faux-rond des arbres dans des conditions
normales de fonctionnement, car ils peuvent être affectés, par exemple, par des flèches transitoires,
des mouvements irréguliers du tourillon dans le palier et des déplacements axiaux. Il convient de ne
pas soustraire les mesurages à faible vitesse des mesurages de vibrations à vitesse nominale sans
étudier avec attention ces facteurs, car les résultats peuvent fournir une interprétation trompeuse des
vibrations de la machine (voir l’ISO 20816-1).
5 Critères d'évaluation
5.1 Généralités
L’ISO 20816-1 fournit une description générale des deux critères d'évaluation utilisés pour évaluer les
vibrations de diverses catégories de machines.
a) Le premier critère tient compte de l'amplitude des vibrations en bande large observées;
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b) le second tient compte des variations d'amplitude, qu'il s'agisse d'augmentations ou de diminutions.
Les valeurs présentées sont le fruit de l'expérience acquise avec des machines de ce type et, si elles sont
dûment prises en compte, elles permettent un fonctionnement acceptable.
NOTE Les valeurs présentées sont basées sur des Normes internationales antérieures, sur les résultats
d'une étude effectuée lors de l'élaboration initiale des normes précédentes (voir Avant-propos) et sur les retours
des utilisateurs.
Des critères sont présentés pour les conditions de fonctionnement en régime permanent à vitesse
nominale et aux plages de charges spécifiées, incluant les variations lentes normales de la puissance
utile. D'autres critères sont également présentés pour d'autres conditions de régime non permanent
lorsque des fluctuations transitoires se produisent. Les critères de vibrations représentent des valeurs
cibles qui fournissent des dispositions permettant d'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. Ces critères servent de base pour définir les
spécifications des essais d'acceptation (voir 5.2.2.3).
Les critères d'évaluation concernent les vibrations produites par la turbine à gaz, et non les vibrations
transmises depuis l'extérieur de l'ensemble de machines. S'il existe des raisons de soupçonner l'existence
d'une influence significative due aux vibrations transmises (en régime permanent ou intermittent),
il convient d'effectuer des mesurages lorsque l'ensemble de machines est à l'arrêt. Si l'amplitude des
vibrations transmises est inacceptable, il convient de prendre des mesures pour remédier à cette
situation.
5.2 Critère I: amplitude des vibrations
5.2.1 Généralités
Ce critère porte sur la définition de valeurs d'amplitude des vibrations cohérentes avec des forces
dynamiques acceptables sur les paliers, des marges convenables au niveau des déplacements radiaux
(jeux) de la machine et une transmission acceptable des vibrations à la structure et aux fondations des
supports.
5.2.2 Amplitude des vibrations à vitesse nominale dans des conditions de fonctionnement
en régime permanent
5.2.2.1 Généralités
L'amplitude maximale des vibrations observée à chaque emplacement de mesurage est évaluée par
rapport à quatre zones d'évaluation.
5.2.2.2 Zones d'évaluation
Les zones d'évaluation sont définies pour permettre d'évaluer les vibrations d'une machine donnée dans
des conditions de régime permanent à vitesse nominale 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.
NOTE 1 Les efforts nécessaires pour obtenir des vibrations dans la zone A peuvent être disproportionnés et
injustifiés.
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
comme 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 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 2 Pour le fonctionnement en régime transitoire, voir 5.2.4.
5.2.2.3 Critères d'acceptation
Il convient que les critères d'acceptation fassent toujours l'objet d'un accord entre le fournisseur de la
machine et l'acheteur, et il est recommandé de prévoir des négociations préalables.
Les zones d'évaluation servent de référence pour définir les critères d'acceptation relatifs aux machines
neuves ou réparées, mais les valeurs numériques assignées aux limites de ces zones ne sont elles-mêmes
pas destinées à servir de spécifications d'acceptation.
Historiquement, pour les machines neuves, les critères d'acceptation ont été spécifiés dans la zone A ou
la zone B, mais ils ne devraient normalement pas dépasser 1,25 fois la limite de zone A/B.
Des critères d'acceptation différents peuvent être convenus en fonction de caractéristiques de
conception spécifiques et/ou de l'expérience acquise sur un parc d’unités semblables.
Les essais d'acceptation doivent respecter une durée et des paramètres de fonctionnement clairement
définis (par exemple charge, température et pression).
Au terme des opérations de remplacement, de maintenance ou d'entretien de pièces importantes, les
critères d'acceptation doivent tenir compte de la portée de l'opération et du comportement vibratoire
avant l'opération.
5.2.2.4 Limites des zones d'évaluation
Les valeurs des limites des zones sont fournies dans les Annexes A et B. L'Annexe A doit être utilisée
pour les vibrations radiales des parties non tournantes de tous les paliers et les vibrations axiales des
corps de paliers de butée. L’Annexe B doit être utilisée pour les vibrations relatives des arbres.
Ces limites de zones s'appliquent aux mesurages de vibrations effectués dans des conditions de
régime permanent à vitesse nominale. Les valeurs numériques assignées aux limites des zones ont
été établies à partir de données représentatives fournies par les fabricants et les utilisateurs. Il se
produit inévitablement une dispersion significative des données, mais les valeurs indiquées fournissent
néanmoins des dispositions qui permettent d'éviter des insuffisances graves ou des exigences
irréalistes.
Des vibrations plus importantes sont autorisées aux autres positions de mesurage et en régime
transitoire (voir 5.2.4).
Dans la plupart des cas, les valeurs fournies dans les Annexes A et B permettent de garantir que
les charges dynamiques transmises à la structure et aux fondations des supports de paliers sont
acceptables et que les jeux en cours de fonctionnement sont maintenus. 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 (supérieures ou inférieures) pour les limites des zones.
Des exemples sont données de a) à e).
a) Les vibrations de la machine peuvent être influencées par son système de montage. On peut
s'attendre, par exemple, à des vibrations relatives des arbres plus importantes si l'on utilise des
supports de paliers rigides. Inversement, pour des supports de paliers souples, on peut s'attendre
à des vibrations relatives des arbres plus faibles. Il peut alors être acceptable d'utiliser des valeurs
de limites de zones différentes en s'appuyant sur un diagramme de fonctionnement satisfaisant et
éprouvé.
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b) Des valeurs de vibrations inférieures peuvent s'appliquer pour les parties non tournantes lorsque le
rapport entre la masse structurelle associée au palier (par exemple, masse du support et du carter)
et la masse du rotor est élevé (par exemple, 10: 1). Dans ce cas, il peut être acceptable d'utiliser
des valeurs de limites de zones différentes en s'appuyant sur un diagramme de fonctionnement
satisfaisant.
c) Il convient de s'assurer que les vibrations relatives des arbres n'indiquent pas que le jeu des paliers
est dépassé. Il convient en outre d'admettre que les vibrations admissibles peuvent être liées au
diamètre des tourillons car, d'une manière générale, les jeux en cours de fonctionnement sont plus
importants pour des paliers de plus grand diamètre. En cas d'utilisation de paliers présentant un
jeu réduit, les valeurs de limites de zones indiquées à l'Annexe B peuvent être réduites. L'ampleur
de la réduction des valeurs des limites des zones varie en fonction du type de palier utilisé (palier
circulaire, palier elliptique, palier 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 E fournissant cependant un exemple représentatif pour un palier cylindrique lisse.
d) D'autres critères fondés sur la structure détaillée de la machine peuvent être utilisés, pour des
paliers relativement peu chargés ou d'autres paliers plus souples dont la charge statique est très
sensible à l'alignement du rotor.
e) Lorsque les mesurages de vibrations de l'arbre sont effectués loin du palier, d'autres critères
peuvent s'appliquer.
NOTE 1 Le présent document ne fournit pas de valeur de zone d'évaluation différente pour les machines
montées sur des fondations rigides et les machines montées sur des fondations souples. Toutefois, le présent
document pourrait être révisé dans le futur de manière à fournir des critères différents eu égard à la souplesse
du support si une analyse additionnelle des données d'étude sur ces machines démontre que cela est justifié.
Différentes valeurs peuvent s'appliquer aux mesurages effectués à différents emplacements de
mesurage de la même ligne rotorique.
En règle générale, lorsque des valeurs de limites de zones supérieures sont utilisées, il peut être
nécessaire de fournir une justification technique permettant de confirmer que le fonctionnement de la
machine à des niveaux de vibrations plus élevés ne compromet pas sa fiabilité. Cela peut reposer, par
exemple, sur les caractéristiques détaillées de la machine ou sur une expérience de fonctionnement
satisfaisante avec des machines présentant une structure et des supports similaires.
Le paramètre de mesurage commun pour l'évaluation des vibrations de la machine sur les parties
non tournantes est la vitesse. L'Annexe A fournit les limites des zones d'évaluation en fonction des
mesurages de la vitesse efficace en bande large. Dans certains cas, toutefois, il était courant de mesurer
les vibrations avec des instruments gradués pour donner des vitesses de vibrations de crête plutôt
que des vitesses de vibrations efficaces. Si les vibrations se composent principalement d'une seule
composante fréquentielle (par exemple, pour les turbines à gaz, les vibrations se trouvent souvent
principalement à la fréquence de fonctionnement de la machine), il existe une relation simple entre les
valeurs de crête et les valeurs efficaces. Dans ce cas, il est possible d'exprimer simplement les limites
de zones de l'Annexe A en valeurs de zéro à crête en multipliant par √2. Autrement, il est possible de
diviser les valeurs de vibrations de crête mesurées par √2 et de les déterminer par rapport aux critères
de vitesses efficaces de l'Annexe A. Cette approche ne peut pas être utilisée pour les formes d'onde
complexes avec plusieurs composantes fréquentielles significatives.
NOTE 2 Il n'existe pas de facteur général permettant de relier la vraie valeur de crête à la valeur efficace.
5.2.3 Limites de fonctionnement en régime permanent
5.2.3.1 Généralités
Pour un fonctionnement de longue durée en régime permanent à vitesse nominale, il est d'usage
d'établir des limites de vibrations en fonctionnement. Ces limites prennent la forme d'ALARMES et de
DÉCLENCHEMENTS.
ALARMES: Pour avertir qu'une valeur limite définie de vibration a été atteinte ou qu'un changement
significatif est intervenu pour lequel une mesure corrective peut être nécessaire. En général, si
une situation d'ALARME se produit, la machine peut continuer à fonctionner pendant une période
d'investigation (par exemple, examen de l'influence de la charge, de la vitesse ou d'autres paramètres
de fonctionnement) de manière à identifier la raison de la variation des vibrations et à définir à quel
moment une mesure corrective peut être nécessaire.
DÉCLENCHEMENTS: Pour spécifier l'amplitude des vibrations au-delà de laquelle la poursuite du
fonctionnement de la machine peut provoquer des dommages. En cas de dépassement de la limite de
DÉCLENCHEMENT, il convient d'intervenir immédiatement pour réduire les vibrations.
Différentes limites de fonctionnement, reflétant les différences de charge dynamique et de rigidité des
supports, peuvent être spécifiées pour différentes positions et directions de mesurage.
5.2.3.2 Positionnement des ALARMES
Les limites d'ALARME peuvent varier d'une machine à l'autre. Il convient que les valeurs choisies soient
établies normalement par rapport aux valeurs de référence fixées grâce à l'expérience acquise pour la
position ou la direction de mesurage sur la machine concernée.
Il est recommandé de fixer la limite d'ALARME à une valeur supérieure, d'une quantité égale à 25 %
de la limite de zone B/C, à la valeur de référence. Il convient que la limite d'ALARME ne dépasse pas
normalement 1,25 fois la limite de zone B/C. Si la valeur de référence est faible (c’est-à-dire inférieure
à 75 % de la limite de zone B/C), la limite de l'ALARME peut être inférieure à la limite de zone B/C (voir
l'exemple de l'Annexe C).
Lorsqu'il n'existe pas de référence établie (par exemple, pour une machine neuve), il convient que le
positionnement initial des ALARMES repose sur l'expérience acquise avec d'autres machines similaires
ou soit convenu par rapport aux valeurs d'acceptation convenues. Si ces données ne sont pas disponibles,
il convient que la limite d'ALARME en régime permanent à vitesse nominale ne dépasse pas la limite de
zone B/C. Au bout d'un certain temps, les valeurs de référence en régime permanent sont établies et il
convient d'adapter le positionnement des ALARMES en conséquence.
Comme expliqué en 5.2.2.4, des ajustements adaptés peuvent être nécessaires au niveau des ALARMES
de vibrations des arbres pour les unités possédant des jeux de palier et/ou d'étanchéité réduits
(voir l’Annexe E).
Lorsque le signal de vibrations est irrégulier et non récurrent, il est nécessaire d'adopter une méthode
de calcul de la moyenne temporelle du signal. Il est fortement recommandé de procéder à des
investigations approfondies complémentaires portant sur la cause de ce comportement.
Si la valeur de référence en régime permanent change (par exemple, après réparation de la machine),
il convient de revoir le positionnement de l'ALARME en conséquence. Différents positionnements de
l'ALARME en fonctionnement peuvent alors exister pour différentes positions de mesurage sur la
machine, reflétant par exemple les différences de charge dynamique et de rigidité des supports de
paliers.
L'Annexe C fournit un exemple de détermination des limites d'ALARME.
5.2.3.3 Positionnement des DÉCLENCHEMENTS
Les limites de DÉCLENCHEMENT sont en général liées à l'intégrité mécanique de la machine et
dépendent de caractéristiques spécifiques de conception, introduites pour permettre à la machine
de résister à des forces dynamiques anormales. Les valeurs utilisées sont en général les mêmes pour
toutes les machines de conception similaire et ne sont normalement pas liées à la valeur de référence en
régime permanent utilisée pour le positionnement des ALARMES.
Il peut exister des différences pour des machines de conception différente et il n'est pas possible de
donner des lignes directrices plus précises quant à des limites de DÉCLENCHEMENT absolues. En
général, la limite de DÉCLENCHEMENT se situe dans la zone C ou D, mais il convient qu'elle ne dépasse
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pas 1,25 fois la limite de zone C/D. Cependant, l'expérience acquise avec une machine spécifique peut
conduire à prescrire une valeur limite différente.
Comme expliqué en 5.2.2.4, des ajustements adaptés peuvent être nécessaires au niveau des
DÉCLENCHEMENTS de vibrations des arbres pour les machines possédant des jeux de palier et/ou
d'étanchéité réduits (voir l’Annexe E).
Les turbines à gaz peuvent être commandées par un système de commande automatique qui arrête
la machine lorsque les valeurs limites de vibrations de DÉCLENCHEMENT sont dépassées. Pour éviter
des déclenchements inutiles provoqués par des signaux parasites, il est d'usage d'adopter un circuit
logique de commande utilisant plusieurs transducteurs et de définir un délai précédant l'amorçage
de toute action automatique visant à arrêter la machine. De ce fait, en cas de réception d'un signal
vibratoire de DÉCLENCHEMENT, il convient de n'engager une action que si le signal est confirmé par au
moins deux transducteurs indépendants et qu'il dépasse la valeur limite définie d'un délai fini spécifié.
Normalement, un délai compris entre 1 s et 3 s devrait suffire pour empêcher un déclenchement
prématuré provoqué par des signaux parasites tout en évitant des dommages extrêmes consécutifs à
une exposition prolongée à de fortes vibrations. Il peut également
...
Questions, Comments and Discussion
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