ISO 20816-5:2018

Mechanical vibration - Measurement and evaluation of machine vibration - Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants

ISO 20816-5:2018 This document provides guidelines for evaluating the vibration measurements made at the bearings, bearing pedestals or bearing housings and also for evaluating relative shaft vibration measurements made on machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants when the machine is operating within its normal operating range. The normal operating ranges for each type of turbine covered by this document are defined in Annex A.
This document is applicable to machine sets in hydraulic power generating plants and in pump-storage plants with typical rotational speeds of 60 r/min to 1 000 r/min fitted with shell or pad (shoe) type oil-lubricated bearings.
NOTE The current database includes machine speeds ranging from 60 r/min to 750 r/min (with a very small sample of 1 000 r/min machines).
This document defines different limit values of bearing housing and shaft vibration depending on the type of turbine, the orientation of the shaft (i.e. horizontal or vertical) and for each of the bearing locations.
This document is based on statistical analysis and provides criteria for the most common types of turbines, pump-turbines and pumps. For specific information on which types of units are covered in this document, see Annex A.
Machine sets covered by this document can have the following configurations:
a) generators driven by hydraulic turbines;
b) motor-generators driven by pump-turbines;
c) motor-generators driven by hydraulic turbines and separate pumps;
d) pumps driven by electric motors.
This document is not applicable to the following unit configurations, parameters and operating conditions:
— hydraulic machines with water-lubricated bearings;
— hydraulic machines or machine sets having rolling element bearings (for these machines, see IEC 62006 and/or ISO 10816‑3);
— pumps in thermal power plants or industrial installations (for these machines, see ISO 10816‑7);
— electrical machines operating as motors except for the use of these machines in pump-storage applications;
— hydro generators operating as synchronous condensers (with the water in the turbine depressed by compressed air);
— assessment of absolute bearing housing vibration displacement;
— assessment of axial vibration;
— assessment of transient conditions;
— non-synchronous operation;
— assessment of vibration of the generator stator core or the stator frame level.
Measurements made of the bearing housing vibration and shaft vibration occurring in machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants can be used for the following purposes:
1) Purpose A: to prevent damage arising from excessive vibration magnitudes;
2) Purpose B: to monitor changes in vibrational behaviour in order to allow diagnosis and/or prognosis.
The criteria are applicable for the vibration produced by the machine set itself. Special investigation is needed for vibration transmitted to the machine set from external sources, e.g. transmitted to the machine via the station foundations.

Vibrations mécaniques - Mesurage et évaluation des vibrations des machines - Partie 5: Groupes de machines équipant des centrales hydroélectriques et des stations de pompage et de stockage

ISO 20816-5:2018 Le présent document donne des lignes directrices pour l'évaluation des mesurages de vibrations réalisés au niveau des paliers, des chaises de palier ou des carters de palier, ainsi que pour l'évaluation des mesurages de vibrations relatives de l'arbre réalisés sur des groupes de machines équipant des centrales hydroélectriques et des stations de pompage et de stockage lorsque la machine est exploitée dans sa plage de fonctionnement normal. Les plages de fonctionnement normal pour chaque type de turbine couvert par le présent document sont définies en Annexe A.
Le présent document est applicable aux groupes de machines équipant des centrales hydroélectriques et des stations de pompage et de stockage dont les vitesses de rotation typiques vont de 60 tr/min à 1 000 tr/min et qui sont équipées de paliers à demi-coussinets ou à coussinets lubrifiés à l'huile.
NOTE La base de données actuelle inclut des vitesses de machine allant de 60 tr/min à 750 tr/min (avec un très petit échantillon de machines fonctionnant à 1 000 tr/min).
Le présent document définit différentes valeurs limites de vibrations de carters de palier et d'arbres en fonction du type de turbine, de l'orientation de l'arbre (horizontale ou verticale) et de chaque emplacement des paliers.
Le présent document est basé sur une analyse statistique et fournit des critères pour les types de turbines, turbines-pompes et pompes les plus courants. Pour des informations spécifiques sur les types d'unités couverts par le présent document, voir l'Annexe A.
Les groupes de machines couverts par le présent document peuvent présenter les configurations suivantes:
a) générateurs entraînés par des turbines hydrauliques;
b) groupes convertisseurs entraînés par des turbines-pompes;
c) groupes convertisseurs entraînés par des turbines hydrauliques et des pompes séparées;
d) pompes entraînées par des moteurs électriques.
Le présent document n'est pas applicable aux configurations d'unités, paramètres et conditions de fonctionnement suivants:
— machines hydrauliques comportant des paliers à lubrification à eau;
— machines hydrauliques ou groupes de machines possédant des paliers à roulement (pour ces machines, voir l'IEC 62006 et/ou l'ISO 10816‑3);
— pompes dans les centrales thermiques ou les installations industrielles (pour ces machines, voir l'ISO 10816‑7);
— machines électriques utilisées comme moteurs, sauf pour l'utilisation de ces machines dans des applications de pompage et de stockage;
— générateurs hydrauliques utilisés comme compensateurs synchrones (avec l'eau de la turbine dépressurisée par de l'air comprimé);
— évaluation du déplacement vibratoire absolu des carters de palier;
— évaluation des vibrations axiales;
— évaluation des conditions transitoires;
— fonctionnement non synchrone;
— évaluation des vibrations du noyau du stator du générateur ou du bâti du stator.
Les mesurages des vibrations sur les carters de palier et les arbres qui se produisent dans les groupes de machines équipant des centrales hydroélectriques et des stations de pompage et de stockage peuvent être utilisés aux fins suivantes:
1) objectif A: éviter les dommages émanant d'amplitudes de vibrations excessives;
2) objectif B: surveiller les changements dans le comportement des vibrations afin de pouvoir réaliser un diagnostic et/ou un pronostic.
Les critères sont applicables aux vibrations produites par le groupe de machines même. Un examen spécial est nécessaire pour les vibrations transmises au groupe de machines et provenant de sources externes, par exemple les vibrations transmises via les fondations de la station.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 19-Jul-2018
• ICS: 17.160 - Vibrations, shock and vibration measurements
• ICS: 29.160.40 - Generating sets
• Technical Committee: TC 4 - Hydraulic turbines
• Drafting Committee: JWG 1 - TC 4/JWG 1
• Current Stage: PPUB - Publication issued
• Start Date: 23-Jul-2018
• Completion Date: 25-Sep-2018

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20816-5
First edition
2018-07
Mechanical vibration — Measurement
and evaluation of machine
vibration —
Part 5:
Machine sets in hydraulic power
generating and pump-storage plants
Vibrations mécaniques — Mesurage et évaluation des vibrations des
machines —
Partie 5: Groupes de machines équipant des centrales
hydroélectriques et des stations de pompage et de stockage
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: [phone]
Fax: [phone]
Email: [e-mail]
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved

Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 2
3 Terms and definitions . 2
4 Machine arrangements . 2
5 Measurement procedures and conditions . 7
5.1 General . 7
5.1.1 Bearing housing vibration measurements . 7
5.1.2 Shaft vibration measurements . . 7
5.2 Measurement types . . 7
5.2.1 Absolute bearing housing vibration . 7
5.2.2 Radial shaft vibration . . 8
5.2.3 Bearing and shaft vibration in the axial direction . 9
5.2.4 Detrimental influences . 9
5.3 Measurement locations and directions . . 9
5.3.1 General. 9
5.3.2 Measurement of relative shaft vibration .11
5.3.3 Measurement of the absolute bearing housing vibration .11
5.4 Measurement equipment .13
5.4.1 General.13
5.4.2 Absolute bearing housing vibration measurements .13
5.4.3 Shaft vibration measurement .15
5.4.4 Measurement of S or S .
max p–p 15
5.5 Operational conditions.17
6 Evaluation of vibration measurements .17
6.1 General .17
6.1.1 Basis of the vibration values .17
6.1.2 Effect of turbine operating conditions on bearing housing vibration
measurements.18
6.1.3 Effect of turbine operating conditions on shaft vibration .18
6.1.4 Pump operating conditions .18
6.1.5 Special operating conditions .18
6.2 Criterion I: Vibration magnitude .19
6.3 Criterion II: Change in vibration magnitude and phase .21
6.3.1 Assessment criteria .21
6.3.2 Monitoring prerequisites .21
6.3.3 Specific recommendation related to the generator .21
6.4 Operational limits .21
6.4.1 Alarms and trips .21
6.4.2 Setting of alarms .22
6.4.3 Setting of trips .22
6.4.4 Special operating conditions .22
6.5 Comparison of results for shaft vibration and bearing housing vibration .23
6.6 Evaluation based on vibration vector information .23
Annex A (normative) Evaluation zone boundaries .24
Annex B (informative) Vibration monitoring — Prerequisite for trend analysis .32
Annex C (informative) Special features of bearing housing vibration and shaft vibration of
hydraulic machine sets .37
Annex D (informative) Database, analysis procedure and statistical evaluation .40
Annex E (informative) Recommended practice for vibration data processing .45
Bibliography .50
iv © ISO 2018 – All rights reserved

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 jointly 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, and Technical Committee IEC/TC 4 Hydraulic
turbines. The draft was circulated for voting to the national bodies of both ISO and IEC.
This first edition of ISO 20816-5 cancels and replaces ISO 7919-5:2005 and ISO 10816-5:2000, which
have been technically revised. The main changes are:
— Vibrations of different type of machines and different shaft orientation are clearly identified.
— Demonstration that for each machine type, the vibration follows a similar statistical distribution
profile (Burr distribution), which resulted in revised vibration values.
— A strong recommendation to look at both shaft vibration and the vibration of non-rotating parts
together with physical parameters like bearing metal temperature and physical bearing clearances
in order to obtain a complete assessment of the machine health.
— Recommendation of a collaborative approach between supplier and customer to investigate cases
where vibration is larger than the statistical values instead of a rigid approach based only on
vibration values.
A list of all parts in the ISO 20816 series can be found on the ISO website.
Introduction
ISO 20816-1 is the basic document which specifies the general requirements for evaluating vibration of
various machine types. The present document provides specific guidance for the vibration of housings
and shafts of machine sets installed in hydraulic power generating and pump-storage plants.
Two criteria are provided for assessing machine vibration:
a) the first criterion considers the magnitude of the measured vibration;
b) the second criterion considers changes in the magnitude and phase of the measured vibration.
This document covers the analysis of both shaft vibration and vibration of fixed, non-rotating parts.
Vibration criteria have been established for horizontal axis and vertical axis machines and have been
developed for each type of turbine (Bulb, Francis, Pelton, Kaplan) when used for generating and also
for pumping where appropriate. The vibration magnitudes criteria provided in this document are
guidelines based on statistics; the magnitude values given should not be used as guarantees. It is
recommended that the vibration assessment is performed by a vibration expert selected in common
agreement by all parties. To identify the good behaviour of a hydraulic machine, it is essential to look at
the following points together:
— the magnitude of the relative shaft vibration;
— the magnitude of the bearing housing vibration;
— the percentage of the guide bearings cold diametral clearance that is used;
— the operating temperature of the metal parts of the guide bearings;
— the operating regime (head and flow or head and power), to make sure the machine is operating
within the normal operating range.
Recommended actions are given for those cases where the vibration magnitudes are above the action
limits given in the tables in Annex A in order to establish if the machine is suitable for continued long-
term operation without restriction.
Guidelines are presented both for the vibrations present when machines are operating and also for any
changes in the amplitude or phase of those vibration values which can occur. The numerical values
given in Annex A for vibration are intended to serve as the basis for the evaluation for the condition
of the machine and, if required, further investigation. It is recommended in this document that the
machine condition is assessed by considering both the bearing housing vibration and shaft vibration.
vi © ISO 2018 – All rights reserved

INTERNATIONAL STANDARD ISO 20816-5:2018(E)
Mechanical vibration — Measurement and evaluation of
machine vibration —
Part 5:
Machine sets in hydraulic power generating and pump-
storage plants
1 Scope
This document provides guidelines for evaluating the vibration measurements made at the bearings,
bearing pedestals or bearing housings and also for evaluating relative shaft vibration measurements
made on machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants when the machine is
operating within its normal operating range. The normal operating ranges for each type of turbine
covered by this document are defined in Annex A.
This document is applicable to machine sets in hydraulic power generating plants and in pump-storage
plants with typical rotational speeds of 60 r/min to 1 000 r/min fitted with shell or pad (shoe) type oil-
lubricated bearings.
NOTE The current database includes machine speeds ranging from 60 r/min to 750 r/min (with a very small
sample of 1 000 r/min machines).
This document defines different limit values of bearing housing and shaft vibration depending on
the type of turbine, the orientation of the shaft (i.e. horizontal or vertical) and for each of the bearing
locations.
This document is based on statistical analysis and provides criteria for the most common types of
turbines, pump-turbines and pumps. For specific information on which types of units are covered in
this document, see Annex A.
Machine sets covered by this document can have the following configurations:
a) generators driven by hydraulic turbines;
b) motor-generators driven by pump-turbines;
c) motor-generators driven by hydraulic turbines and separate pumps;
d) pumps driven by electric motors.
This document is not applicable to the following unit configurations, parameters and operating
conditions:
— hydraulic machines with water-lubricated bearings;
— hydraulic machines or machine sets having rolling element bearings (for these machines, see
IEC 62006 and/or ISO 10816-3);
— pumps in thermal power plants or industrial installations (for these machines, see ISO 10816-7);
— electrical machines operating as motors except for the use of these machines in pump-storage
applications;
— hydro generators operating as synchronous condensers (with the water in the turbine depressed by
compressed air);
— assessment of absolute bearing housing vibration displacement;
— assessment of axial vibration;
— assessment of transient conditions;
— non-synchronous operation;
— assessment of vibration of the generator stator core or the stator frame level.
Measurements made of the bearing housing vibration and shaft vibration occurring in machine sets in
hydraulic power generating and pump-storage plants can be used for the following purposes:
1) Purpose A: to prevent damage arising from excessive vibration magnitudes;
2) Purpose B: to monitor changes in vibrational behaviour in order to allow diagnosis and/or
prognosis.
The criteria are applicable for the vibration produced by the machine set itself. Special investigation
is needed for vibration transmitted to the machine set from external sources, e.g. transmitted to the
machine via the station foundations.
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, Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General
guidelines
IEC 60994, Guide for field measurement of vibrations and pulsations in hydraulic machines (turbines,
storage pumps and pump-turbines)
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 Machine arrangements
The large variety of arrangements of hydraulic machine sets means that separation into four
principal groups is useful when considering bearing arrangements and the locations where vibration
measurements should be taken. These four principal groups are as follows:
— Group 1: Horizontal machine sets with the generator equipped with end-shield or pedestal bearings
mounted on a rigid foundation.
— Group 2: Horizontal machine sets with bearing housings which are braced against the casing of the
hydraulic machine.
— Group 3: Vertical machine sets where all the bearing housings are supported by the station
foundations.
2 © ISO 2018 – All rights reserved

— Group 4: Vertical machine sets where the lower bearing housing is supported by the station
foundations and the upper bearing housing is supported by the stator frame of the generator.
Figures 1 to 5 show examples for each group. The numbers given in each figure indicate suitable
locations for mounting the vibration transducers that are used for the measurement of vibration.
Vibration transducers should be mounted on the bearings at the locations given in Figures 6 and 7.
a) Two-bearing set with a motor-generator and separate pump and turbine
b) Four-bearing set with the generator driven by a Francis turbine
c) Three-bearing set with the generator driven by a Pelton turbine
NOTE The numbers indicate suitable locations for the vibration transducers.
Figure 1 — Group 1: Horizontal machine sets with pedestal or end-shield bearings mounted on
rigid foundation
NOTE The numbers indicate suitable locations for the vibration transducers.
Figure 2 — Group 2: Horizontal machines with the bearings braced against the casing of the
hydraulic machine
4 © ISO 2018 – All rights reserved

NOTE The numbers indicate suitable locations for the vibration transducers.
Figure 3 — Group 3: Vertical machine sets where all bearing housings are braced against the
station foundations and/or concrete pit surrounding the generator (vertical load supported by
the generator stator frame)
NOTE The numbers indicate suitable locations for the vibration transducers.
Figure 4 — Group 3: Other example of vertical machine sets where all the bearing housings are
braced against the station foundations and/or concrete pit surrounding the generator (vertical
load supported by the head cover)
6 © ISO 2018 – All rights reserved

NOTE The numbers indicate suitable locations for the vibration transducers.
Figure 5 — Group 4: Vertical machine sets where the generator lower bearing housing is braced
against the station foundation and the generator upper bearing housing is supported by the
generator stator frame
5 Measurement procedures and conditions
5.1 General
5.1.1 Bearing housing vibration measurements
ISO 20816-1 gives general guidelines that shall be followed when taking measurements of bearing
housing vibration. IEC 60994 provides guidance on taking measurements of vibration in the field.
ISO 2954 specifies the measuring instrumentation that should be used. ISO 5348 provides guidance for
the mounting of accelerometers. Further recommendations are given in 5.2 to 5.5.
5.1.2 Shaft vibration measurements
The measurement procedures that shall be followed are described in ISO 20816-1 and IEC 60994.
ISO 10817-1 specifies the measuring instrumentation that should be used. Further recommendations
are given in 5.2 to 5.5.
5.2 Measurement types
5.2.1 Absolute bearing housing vibration
Absolute bearing housing vibration measurements are commonly made on hydraulic machine sets
using seismic transducers (electrodynamic velocity transducers or piezoelectric accelerometers with
integration) to measure the root-mean-square (RMS) vibration velocity v in mm/s.
rms
5.2.2 Radial shaft vibration
5.2.2.1 General
Relative and absolute shaft vibration measurements are made on hydraulic machine sets using non-
contacting transducers to measure the shaft peak-to-peak displacement S in µm. Shaft riding probes
p–p
with seismic transducers cannot generally be used due to the very low frequency range required for
measurements taken on low-speed hydraulic machines.
S is not recommended for shaft vibration measurements; see 5.4.4.
max
5.2.2.2 Relative shaft vibration measurements
For relative measurements, it is common to install the transducers on the bearing housings as close
as possible to the guide bearings. They can then read directly on the bearing journals or, alternatively,
on special shaft areas (i.e. machined tracks) that have been prepared to limit the total electrical and
mechanical runout. In the case of segmental guide bearings, transducers can be mounted between the
bearing pads using the guide bearing housing for support or directly on top of the pads but these latter
methods are less frequently used.
Care should always be taken to ensure that the support for the shaft vibration transducers is very rigid.
If this is not the case, the measured signal will not be representative of the relative movement between
the shaft and bearing housing. This requirement can be assessed by static analysis of the structure or
verification of the natural frequency of the supports of the vibration transducers by an impact test.
The lowest natural radial frequency of the transducer mounting structure should be at least 10 times
greater than the synchronous rotational frequency in order to eliminate any chance of resonance in
the mounting support. If there is evidence of resonance in the supporting structure on which the shaft
vibration transducer is mounted, this needs to be addressed before any signal measurement is taken.
In addition, the structure or bearing housing on which the transducer is to be mounted should have a
lowest natural radial frequency at least 10 times the synchronous rotational frequency.
Care should be exercised to comply with any specifications stated by the transducer manufacturer
to maintain a free space around the transducer to avoid magnetic interference. Care should also be
exercised in setting the gap between the transducer and the shaft to ensure that it is greater than
twice the maximum radial bearing clearance in order to avoid damage to the transducer. If electrical
cables are running inside the shaft and close to the surface, inductive sensors can be affected by stray
magnetic fields.
It is important that the shaft surface where the vibration is being measured is free from blemishes,
scratches, dents or any other surface defects. It is normal for the shaft track to be specially prepared for
use with shaft displacement transducers so as to limit the combined electrical and mechanical runout
to a very low value. Ideally the shaft track for vibration measurement should be prepared at the same
time as the bearing journals.
5.2.2.3 Absolute shaft vibration measurements
Absolute vibration displacement S can be measured directly using displacement transducers where
p–p
a rigid support for the transducer can be arranged, e.g. a stiff steel support structure mounted from the
turbine or the generator pit wall. Absolute shaft vibration measurements are not common because the
requirement to provide a rigid support structure to mount the transducers is difficult to fulfil.
Another possibility is to carry out a vector summation of the relative shaft vibration using non-
contacting transducers and the absolute vibration of the support frame using seismic transducers. If this
is to be done, the seismic transducers should be installed on the support frame as close as possible to
the shaft transducers so that both transducers are measuring in the same radial direction. A calculation
with integration and taking into account the amplitude and phase of the vibration signals can then be
carried out to determine the magnitude of the absolute shaft vibration. At very low frequencies (below
60 r/min), the stability of double integrated seismic transducers becomes a concern.
8 © ISO 2018 – All rights reserved

5.2.3 Bearing and shaft vibration in the axial direction
For diagnosis purpose or monitoring changes and for mechanical assessment, it is useful or sometimes
necessary to take axial measurements. These measurements can either be relative shaft displacement
or the vibration of the thrust bearing housing, or both.
Thrust bearing axial vibration in general correlates with the axial effect of hydraulic pressure
pulsations from the turbine which can cause damage to the thrust bearing load carrying surfaces.
However, it is not a common practice to measure axial vibration on main radial load-carrying bearings
during continuous operational monitoring. Such measurements are primarily used during periodic
vibration surveys or for diagnostic purposes.
Criteria for the evaluation of shaft axial vibration are not given in this document because of the lack of
available measurement data.
5.2.4 Detrimental influences
Shaft vibration and bearing housing vibration can both be influenced by the vibration of the bearing
support structure. The generator lower bearing housing of vertical machines can be affected by the
vibration transmitted from the turbine head cover where a supporting cone or supporting cylinder is
used. Generator bearings which are supported on soleplates embedded in the foundation concrete can
in rare cases be affected by forces from the turbine which are transmitted by the foundations.
Machine sets with Francis turbines (also Kaplan turbines in rare cases) might have higher vibration
values at the bearing housings when there are draft tube excitations (e.g. vortices, cavitation, swirls,
flow instabilities, flow separation). Experience has shown that these excitations can occur even
under normal operating conditions. If draft tube excitations are thought to be occurring, additional
investigations should be carried out by a vibration expert.
5.3 Measurement locations and directions
5.3.1 General
Typical positions used for the measurement of vibration of hydraulic machine sets are shown in
Figures 1 to 5 and in more detail in Figures 6 and 7.
a) On horizontal machines
10 © ISO 2018 – All rights reserved

b) On vertical machines
Key
1 upstream (seen from above)
Figure 6 — Recommended locations for shaft vibration measurements
5.3.2 Measurement of relative shaft vibration
For all machines, shaft vibration measurements should be taken 90° apart. The location and the
orientation of the vibration transducers should be chosen to capture the maximum vibration readings.
On horizontal machines, the vibration transducers should be placed horizontally and vertically
as important information can be obtained if the transducers are mounted in the two main stiffness
directions of the bearing housing supports, i.e. in the horizontal and vertical directions.
Alternatively, the transducers may be placed at ±45° from the vertical as shown in Figure 6 a), where
the transducers are still 90° apart.
For vertical machines, at each guide bearing, the transducers should be located as follows: the first
transducer should be placed at the upstream position and the second one at 90° from the upstream
position (in the clockwise direction, seen from above, independently of the direction of rotation); see
Figure 6 b). The transducers mounted on the upper and lower bearings should be arranged vertically
above each other.
5.3.3 Measurement of the absolute bearing housing vibration
For horizontal machines, radial measurements should ideally be taken in the vertical and horizontal
directions as shown in Figure 7 a) and also, if possible, on the bearing taking any thrust load in the axial
direction that is parallel to the shaft axis. Important information can be evaluated from measurements
of the bearing housing vibration if the principal stiffness directions are used. This is not possible if the
bearing vibration measurements are taken in ±45° directions.
For low-speed machines with a horizontal shaft axis, such as the Bulb turbines shown in Figure 2, the
measurement locations and directions shall be determined with great care due to the flexibility of the
support structure.
For vertical machines, at each guide bearing, the transducers should be located as follows: the first
transducer should be placed at the upstream position and the second one at 90° from the upstream
position (in the clockwise direction, seen from above, independently of the direction of rotation); see
Figure 7 b). If possible, the transducers at each guide bearing should be mounted on or as close as
possible to the bearing housing and arranged so that they are vertically above one another, i.e. in the
same vertical plane. If both housing vibration transducers and shaft vibration transducers are being
used, these should be mounted as close as possible to each other in order to simplify analysis of the
machine vibration behaviour.
Figure 7 shows in more detail the location for the bearing housing transducers.
a) On horizontal machines
b) On vertical machines
Key
1 upstream (seen from above)
Figure 7 — Recommended positions for measurement of bearing housing vibration
12 © ISO 2018 – All rights reserved

5.4 Measurement equipment
5.4.1 General
The measurement equipment should be capable of measuring the vibration amplitude for a minimum of
10 revolutions of the machine. This gives sufficient time to capture draft tube vortex vibrations which
occur at partial loads and are typically between 0,25 and 0,33 of the rotational frequency (Rheingans
frequency). The highest frequency of interest for hydro mechanical assessment is usually the highest
machine-related frequency as given by Formula (1):
max [3 z f , 3 z f] (1)
R rot G rot
where
z is the number of runner blades (for Pelton turbines, z is the number of buckets);
R R
f is the rotational frequency of the machine, in hertz (Hz);
rot
z is the number of guide vanes (Francis, pump-turbine, Kaplan and Bulb) or stay vanes if
G
guide vanes are not present (for Pelton turbines, z is the number of nozzles).
G
NOTE The rotational frequency, f (in Hz), is related to the rotational speed of the machine n (in r/min) by
rot
n
frot= .
There are two distinct concepts not to be confused:
— the highest frequency of interest for a given machine according to the machine’s characteristics
(rotational frequency, number of guide vanes, etc.);
— the signal sampling frequency which relates to the vibration acquisition system. The sampling
frequency should be large enough to allow for a good definition of the signal.
The analysis frequency from the Fast Fourier Transform (FFT) should be at least 2,1 times the highest
frequency of interest of the machine. The sampling frequency should be selected in accordance with
the Nyquist-Shannon theorem, the characteristics of the data acquisition system and the use of anti-
aliasing filters. The sampling frequency should be at least 2,56 times the maximum analysis frequency.
Recommended sampling frequency is 4 times the maximum analysis frequency, i.e. 8,4 times the
maximum of z f or z f .
R rot G rot
5.4.2 Absolute bearing housing vibration measurements
The performance of the measuring equipment should be in accordance with the requirements given in
ISO 2954 and IEC 60994.
Table 1 shows the range of frequencies that should be captured by the measurement equipment.
Table 1 — Frequency ranges for measurement of bearing housing absolute vibration
Turbine type Minimum frequency Maximum frequency
f f
min max
Francis turbine 0,1 f 3 z f
rot R rot
Pump-turbine 0,1 f 3 z f
rot R rot
a
Kaplan turbine 0,1 f 3 z f
rot R rot
a
Bulb turbine 0,1 f 3 z f
rot R rot
Pelton turbine 0,1 f 3 z f
rot R rot
These frequency ranges are for evaluation of the vibration behaviour of the machine in normal conditions. If the issue
is suspected to be generator related, then a much higher frequency f should be used consistent with the suspected
max
electrical phenomenon.
a
For slow rotational speed turbines (Kaplan and Bulb), f sometimes needs to be increased up to 3 z f .
max G rot
For pump-turbines and high-head Francis turbines, the vibration at the turbine bearing is strongly
dependent on head and/or rotational speed. It is quite usual to detect rotor-stator interaction effects
with high-frequency components (typically 70 Hz to 500 Hz) due to pressure pulsations in the vaneless
space which act on the head cover and in the spiral casing.
In addition, hydraulic turbines in certain operating conditions are subject to draft tube excitations
(turbulences, swirls or cavitation phenomena) which generate broad-band frequency components that
are transmitted to the supporting structures. For diagnosis of the turbine main components (runner,
shaft coupling bolts, wicket gates, head cover, labyrinth and shaft seals with relevant bolts), it is always
necessary to analyse the whole unfiltered signal.
When it is demonstrated that the magnitude of the high frequency vibration does not induce significant
stress levels in the turbine components, these high frequency components may, by agreement, be
filtered out from the whole signal.
For frequencies below 2 Hz, special care should be exercised when selecting the transducers to be used.
Particular attention should be taken to ensure that the measurement instrumentation is fitted with
electronic compensation to obtain a flat response over the specified frequency range. When measuring
on units with low rotational frequency (<2 Hz), the minimum acquisition frequency of the sensor may be
higher than 0,10 f but should not be above 0,25 f . Any aspects of the environment that might affect
rot rot
the characteristics and accuracy of the measuring equipment should be known including the following:
— temperature variations;
— magnetic fields;
— sound fields;
— variation in the power supply voltage;
— transducer cable length;
— transducer orientation;
— proximity of any power cable or power supplies.
Regardless of the type of transducer used, the vibration signal can be integrated or differentiated to
obtain vibration velocity to be checked against the action limits as this is the parameter that generally
affects fatigue failure the most.
If the measurement equipment is to be used for diagnostic purposes or detection of von Kármán
induced vibrations, a transducer having an upper frequency limit higher than specified above can be
necessary. Measurements taken at higher frequencies than those given in the tables should only be
made for special investigations.
14 © ISO 2018 – All rights reserved

Vibration velocities values that are held in the database together with information about machine
damage that has been sustained have been used to set the action limits given in Annex A to be used for
bearing housing vibration.
5.4.3 Shaft vibration measurement
The performance of the measuring equipment should be in accordance with the requirements given in
ISO 10817-1 and IEC 60994.
The measuring equipment should be capable of measuring both the static (DC) and dynamic (AC)
signals to determine the mean shaft position and the dynamic displacement which is occurring around
this mean position.
The range of frequencies for data acquisition is given in Table 2.
Table 2 — Frequency ranges for measurement of relative shaft vibration
Turbine type Minimum frequency Maximum frequency
f f
min max
Francis turbine 0,1 f 3 z f
rot G rot
Pump-turbine 0,1 f 3 z f
rot G rot
Kaplan turbine 0,1 f 3 z f
rot G rot
Bulb turbine 0,1 f 3 z f
rot G rot
Pelton turbine 0,1 f 3 z f
rot G rot
These frequency ranges are for evaluation of the vibration behaviour of the machine in normal conditions. If the issue
is suspected to be generator related, then a much higher frequency f should be used consistent with the suspected
max
electrical phenomenon.
The measurement system should be capable of measuring amplitude at least four times the value
of Action limit 1 as specified in Annex A. The distance between the transducers and the machined
track on the shaft should be set to a minimum value equal to 1,5 times the diametral clearance to
prevent accidental contact. Ideally, transducers should be selected to be in the middle of their linear
characteristic when set at that distance from the shaft.
The S shaft vibration value is calculated by averaging the values over at least 10 observations each
p–p
comprising of at least 10 shaft revolutions.
5.4.4 Measurement of S or S
max p–p
Individual values of S from transducers A and B are preferred for the measurement of shaft vibration
p–p
rather than S (see Figure 8). The reason for this is that S can lead to wrong conclusions if the
max max
shaft vibration contains sub-synchronous content resulting in non-closed orbits. The values for S
p–p
given in the tables in Annex A shall apply to either of the two shaft displacement transducers located at
90° apart.
Key
1 transducer A waveform 3 transducer B waveform
2 transducer A 4 transducer B
x, y fixed reference axes
0 time-integrated mean position of orbit
time-integrated mean values of shaft displacement
xy,
K instantaneous position of shaft centre
P position of shaft for maximum displacement from time-integrated mean position
S instantaneous value of shaft displacement
S maximum value of shaft displacement from time-integrated mean position 0
max
S , S instantaneous values of shaft displacement in directions of transducers A and B, respectively
A1 B1
S maximum value of peak-to-peak displacement
(p–p)max
S

Ap()−p

peak-to-peak values of shaft displacement in directions of transducers A and B

S

Bp()−p 
S = max [S , S ]
(p–p) A(p–p) B(p–p)
NOTE 1  In this example sketch, S = S since S > S .
A(p–p) (p–p) A(p–p) B(p–p)
NOTE 2  See ISO 20816-1.
Figure 8 — Illustration of the relationship between S and S
p–p max
16 © ISO 2018 – All rights reserved

5.5 Operational conditions
Measurements should be carried out when the electrical machine stator and rotor, the bearing pads (or
shell) and the oil bath have all reached their normal steady-state operating temperatures and with the
machine operating under steady-state conditions.
NOTE For the purposes of this document, the term “steady-state” means that any change in the discharge,
head, speed and net positive suction energy and/or guide vane position (or needle positions in the case of Pelton
turbines) is expected to remain within ±1,5 % of the initial starting conditions for measurements and also
that any successive temperature measurement over a period of 30 min is expected to remain within 1 °C of the
preceding reading.
6 Evaluation of vibration measurements
6.1 General
6.1.1 Basis of the vibration values
ISO 20816-1 provides a general description of the two criteria used to assess the effect of vibration
severity. One criterion considers the magnitude of vibration observed by broad-band measurements
and the second criterion considers changes in the magnitude and phase of the vi
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 20816-5
Première édition
2018-07
Vibrations mécaniques — Mesurage
et évaluation des vibrations des
machines —
Partie 5:
Groupes de machines équipant des
centrales hydroélectriques et des
stations de pompage et de stockage
Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine
vibration —
Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pump-
storage plants
Numéro de référence
©
ISO 2018
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2018
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: [phone]
Fax: [phone]
E-mail: [e-mail]
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés

Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 2
3 Termes et définitions . 2
4 Configurations de machines . 2
5 Modes opératoires et conditions de mesurage . 7
5.1 Généralités . 7
5.1.1 Mesurages des vibrations des carters de palier . . 7
5.1.2 Mesurages des vibrations des arbres . 7
5.2 Types de mesurage . 7
5.2.1 Vibrations absolues des carters de palier . 7
5.2.2 Vibrations radiales des arbres . 8
5.2.3 Vibrations des paliers et des arbres dans le sens axial . . 9
5.2.4 Influences néfastes . 9
5.3 Emplacements et sens des mesurages . 9
5.3.1 Généralités . 9
5.3.2 Mesurage des vibrations relatives d’arbre .11
5.3.3 Mesurage des vibrations absolues des carters de palier.11
5.4 Équipement de mesurage .13
5.4.1 Généralités .13
5.4.2 Mesurages des vibrations absolues des carters de palier .13
5.4.3 Mesurage des vibrations des arbres .15
5.4.4 Mesurage de S ou S .
max p–p 15
5.5 Conditions de fonctionnement .17
6 Évaluation des mesurages de vibrations .17
6.1 Généralités .17
6.1.1 Bases sur les valeurs vibratoires.17
6.1.2 Effet des conditions d’exploitation de la turbine sur les mesurages des
vibrations des carters de palier .18
6.1.3 Effet des conditions de fonctionnement de la turbine sur les vibrations de
l’arbre .18
6.1.4 Conditions de fonctionnement des pompes .19
6.1.5 Conditions de fonctionnement particulières .19
6.2 Critère I: amplitude des vibrations .19
6.3 Critère II: changement dans l’amplitude et la phase des vibrations .21
6.3.1 Critères d’évaluation .21
6.3.2 Exigences de surveillance .22
6.3.3 Recommandations spécifiques associées au générateur .22
6.4 Limites d’exploitation .22
6.4.1 Alarmes et arrêts lents.22
6.4.2 Réglage des alarmes .23
6.4.3 Réglage des arrêts lents .23
6.4.4 Conditions de fonctionnement particulières .23
6.5 Comparaison des résultats de vibrations d’arbre et de vibrations de carter de palier .23
6.6 Évaluation basée sur les informations des vecteurs de vibrations .24
Annexe A (normative) Limites des zones d’évaluation .25
Annexe B (informative) Surveillance des vibrations — Conditions préalables pour l’analyse
de tendance .34
Annexe C (informative) Particularités des vibrations de carter de palier et des vibrations
d’arbre des groupes de machines hydrauliques .39
Annexe D (informative) Base de données, mode opératoire d’analyse et évaluation statistique .42
Annexe E (informative) Pratique recommandée pour le traitement des données de vibrations .47
Bibliographie .52
iv © ISO 2018 – Tous droits réservés

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 le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos .html.
Le présent document a été préparé par le Comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques
et leur surveillance, en collaboration avec le sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et
chocs mécaniques intéressant les machines, les véhicules et les structures et le Comité technique IEC/TC 4
Turbines hydrauliques. Le projet a été soumis au vote des organismes nationaux de l’ISO et de l’IEC.
Cette première édition de l’ISO 20816-5 annule et remplace l’ISO 7919-5:2005 et l’ISO 10816-5:2000, qui
ont toutes deux fait l’objet d’une révision technique. Les principales modifications sont:
— les vibrations de différents types de machine et de différentes orientations d’arbre sont clairement
identifiées;
— démonstration que, pour chaque type de machine, les vibrations suivent un profil de distribution
statistique similaire (distribution de Burr), les valeurs de vibrations obtenues s’en trouvant révisées;
— une forte recommandation d’observer les vibrations de l’arbre ainsi que les vibrations des pièces
non tournantes en association avec les paramètres physiques tels que la température du métal des
paliers et les jeux de palier physiques afin d’obtenir une évaluation complète de l’état de santé de la
machine;
— recommandation d’adopter une approche collaborative entre le fournisseur et le client pour étudier
les cas où les vibrations sont plus élevées que les valeurs statistiques, au lieu d’une approche rigide
basée uniquement sur les valeurs de vibrations.
Une liste de toutes les parties de la série de normes ISO 20816 est disponible sur le site Internet de l’ISO.
Introduction
L’ISO 20816-1 est le document de base qui spécifie les exigences générales pour l’évaluation des
vibrations de différents types de machine. Le présent document donne des lignes directrices
spécifiques relatives aux vibrations des carters et arbres de groupes de machines équipant les centrales
hydroélectriques et stations de pompage et de stockage.
Deux critères d’évaluation des vibrations des machines sont proposés:
a) le premier critère tient compte de l’amplitude des vibrations mesurées;
b) le second critère tient compte des changements dans l’amplitude et dans la phase des vibrations
mesurées.
Le présent document couvre l’analyse des vibrations d’arbres et des vibrations des pièces fixes non
tournantes.
Des critères d’évaluation des vibrations ont été établis pour les machines à arbre horizontal et à arbre
vertical, et ont été développés pour chaque type de turbine (bulbes, Francis, Pelton, Kaplan, etc.) quand
elles sont utilisées pour la génération et aussi pour le pompage, le cas échéant. Les critères mesurant
l’amplitude des vibrations tels que fournis dans le présent document sont des lignes directrices basés
sur des statistiques. Il convient de ne pas considérer les valeurs d’amplitude proposées comme étant
garanties. Il est recommandé de faire effectuer l’analyse des vibrations par un expert en vibrations
choisi d’un commun accord par toutes les parties. Pour identifier le bon comportement d’une machine
hydraulique, il est essentiel d’observer conjointement les points suivants:
— l’amplitude des vibrations relatives de l’arbre;
— l’amplitude des vibrations des carters de palier;
— le pourcentage du jeu diamétral des paliers guides mesuré à froid;
— la température de service des pièces métalliques des paliers guides;
— le régime de service (chute et débit ou chute et puissance), afin de s’assurer que la machine est
exploitée dans la plage de fonctionnement normal.
Des actions recommandées sont données pour les cas où les amplitudes des vibrations dépassent les
limites d’action données dans les tableaux en Annexe A afin d’établir si la machine est adaptée pour une
exploitation continue à long terme sans restrictions.
Les lignes directrices sont présentées à la fois pour les vibrations présentes lorsque les machines sont
exploitées et également en cas de tout changement qui peut se produire dans l’amplitude ou la phase
de ces valeurs de vibrations. Les valeurs numériques données en Annexe A pour les vibrations sont
destinées à servir de base pour l’évaluation de l’état de la machine et, si requis, pour des études plus
poussées. Dans le présent document, il est recommandé d’évaluer l’état d’une machine sur la base à la
fois des vibrations des carters de palier et des vibrations d’arbre.
vi © ISO 2018 – Tous droits réservés

NORME INTERNATIONALE ISO 20816-5:2018(F)
Vibrations mécaniques — Mesurage et évaluation des
vibrations des machines —
Partie 5:
Groupes de machines équipant des centrales
hydroélectriques et des stations de pompage et de
stockage
1 Domaine d’application
Le présent document donne des lignes directrices pour l’évaluation des mesurages de vibrations
réalisés au niveau des paliers, des chaises de palier ou des carters de palier, ainsi que pour l’évaluation
des mesurages de vibrations relatives de l’arbre réalisés sur des groupes de machines équipant des
centrales hydroélectriques et des stations de pompage et de stockage lorsque la machine est exploitée
dans sa plage de fonctionnement normal. Les plages de fonctionnement normal pour chaque type de
turbine couvert par le présent document sont définies en Annexe A.
Le présent document est applicable aux groupes de machines équipant des centrales hydroélectriques
et des stations de pompage et de stockage dont les vitesses de rotation typiques vont de 60 tr/min à
1 000 tr/min et qui sont équipées de paliers à demi-coussinets ou à coussinets lubrifiés à l’huile.
NOTE La base de données actuelle inclut des vitesses de machine allant de 60 tr/min à 750 tr/min (avec un
très petit échantillon de machines fonctionnant à 1 000 tr/min).
Le présent document définit différentes valeurs limites de vibrations de carters de palier et d’arbres
en fonction du type de turbine, de l’orientation de l’arbre (horizontale ou verticale) et de chaque
emplacement des paliers.
Le présent document est basé sur une analyse statistique et fournit des critères pour les types de
turbines, turbines-pompes et pompes les plus courants. Pour des informations spécifiques sur les types
d’unités couverts par le présent document, voir l’Annexe A.
Les groupes de machines couverts par le présent document peuvent présenter les configurations
suivantes:
a) générateurs entraînés par des turbines hydrauliques;
b) groupes convertisseurs entraînés par des turbines-pompes;
c) groupes convertisseurs entraînés par des turbines hydrauliques et des pompes séparées;
d) pompes entraînées par des moteurs électriques.
Le présent document n’est pas applicable aux configurations d’unités, paramètres et conditions de
fonctionnement suivants:
— machines hydrauliques comportant des paliers à lubrification à eau;
— machines hydrauliques ou groupes de machines possédant des paliers à roulement (pour ces
machines, voir l’IEC 62006 et/ou l’ISO 10816-3);
— pompes dans les centrales thermiques ou les installations industrielles (pour ces machines, voir
l’ISO 10816-7);
— machines électriques utilisées comme moteurs, sauf pour l’utilisation de ces machines dans des
applications de pompage et de stockage;
— générateurs hydrauliques utilisés comme compensateurs synchrones (avec l’eau de la turbine
dépressurisée par de l’air comprimé);
— évaluation du déplacement vibratoire absolu des carters de palier;
— évaluation des vibrations axiales;
— évaluation des conditions transitoires;
— fonctionnement non synchrone;
— évaluation des vibrations du noyau du stator du générateur ou du bâti du stator.
Les mesurages des vibrations sur les carters de palier et les arbres qui se produisent dans les groupes
de machines équipant des centrales hydroélectriques et des stations de pompage et de stockage peuvent
être utilisés aux fins suivantes:
1) objectif A: éviter les dommages émanant d’amplitudes de vibrations excessives;
2) objectif B: surveiller les changements dans le comportement des vibrations afin de pouvoir réaliser
un diagnostic et/ou un pronostic.
Les critères sont applicables aux vibrations produites par le groupe de machines même. Un examen
spécial est nécessaire pour les vibrations transmises au groupe de machines et provenant de sources
externes, par exemple les vibrations transmises via les fondations de la station.
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, Vibrations mécaniques — Mesurage et évaluation des vibrations de machines — Partie 1:
Lignes directrices générales
IEC 60994, Guide pour la mesure in situ des vibrations et fluctuations sur machines hydrauliques (turbines,
pompes d’accumulation et pompes-turbines)
3 Termes et définitions
Aucun terme ni aucune définition ne sont énumérés dans le présent document.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp;
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/.
4 Configurations de machines
La grande diversité de configurations des groupes de machines hydrauliques signifie qu’il est utile de
les diviser en quatre groupes principaux lorsque les dispositions des paliers et les emplacements où il
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés

convient de réaliser les mesurages des vibrations sont considérés. Ces quatre groupes principaux sont
les suivants:
— Groupe 1: groupe de machines à orientation horizontale, dont le générateur est équipé de paliers à
flasque ou à chaise montés sur des fondations rigides;
— Groupe 2: groupe de machines à orientation horizontale équipé de carters de palier ancrés sur le
carter de la machine hydraulique;
— Groupe 3: groupe de machines à orientation verticale dans laquelle tous les carters de palier sont
soutenus par les fondations de la station;
— Groupe 4: groupe de machines à orientation verticale dans lequel le carter de palier le plus bas est
soutenu par les fondations de la station, et le carter du palier le plus haut est soutenu par le châssis
du stator du générateur.
Les Figures 1 à 5 donnent des exemples de chaque groupe. Les chiffres indiqués sur chaque figure
indiquent les emplacements appropriés pour le montage des capteurs de vibrations utilisés pour
mesurer ces dernières.
Il convient de monter les capteurs de vibrations sur les paliers aux emplacements indiqués sur les
Figures 6 et 7.
a) Groupe à deux paliers avec un groupe convertisseur et pompe et turbine séparées
b) Groupe à quatre paliers avec générateur entraîné par une turbine Francis
c) Groupe à trois paliers avec générateur entraîné par une turbine Pelton
NOTE Les chiffres indiquent les emplacements appropriés pour les capteurs de vibrations.
Figure 1 — Groupe 1: Groupe de machines à orientation horizontale avec paliers à chaise ou à
flasque montés sur des fondations rigides
NOTE Les chiffres indiquent les emplacements appropriés pour les capteurs de vibrations.
Figure 2 — Groupe 2: Machines à orientation horizontale avec paliers ancrés sur le carter de la
machine hydraulique
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés

NOTE Les chiffres indiquent les emplacements appropriés pour les capteurs de vibrations.
Figure 3 — Groupe 3: Groupe de machines à orientation verticale dans lequel les carters de
palier sont ancrés sur les fondations de la station et/ou une cuvette en béton entourant le
générateur (charge verticale supportée par le bâti du stator du générateur)
NOTE Les chiffres indiquent les emplacements appropriés pour les capteurs de vibrations.
Figure 4 — Groupe 3: Autre exemple de groupe de machines à orientation verticale dans lequel
les carters de palier sont ancrés sur les fondations de la station et/ou une cuvette en béton
entourant le générateur (la charge verticale est supportée par le chapeau supérieur)
6 © ISO 2018 – Tous droits réservés

NOTE Les chiffres indiquent les emplacements appropriés pour les capteurs de vibrations.
Figure 5 — Groupe 4: Groupe de machines à orientation verticale dans lequel le carter de palier
le plus bas du générateur est ancré sur les fondations de la station, et le carter du palier le plus
haut du générateur est soutenu par le bâti du stator du générateur
5 Modes opératoires et conditions de mesurage
5.1 Généralités
5.1.1 Mesurages des vibrations des carters de palier
L’ISO 20816-1 donne des lignes directrices générales qu’il faut suivre lors des mesurages des vibrations
des carters de palier. L’IEC 60994 donne des recommandations relatives à la prise de mesurages des
vibrations in situ. L’ISO 2954 spécifie l’appareillage de mesure qu’il convient d’utiliser. L’ISO 5348 donne
des recommandations sur le montage des accéléromètres. Des recommandations supplémentaires sont
données en 5.2 à 5.5.
5.1.2 Mesurages des vibrations des arbres
Les modes opératoires de mesurage à suivre sont décrits dans l’ISO 20816-1 et dans l’IEC 60994.
L’ISO 10817-1 spécifie l’appareillage de mesure qu’il convient d’utiliser. Des recommandations
supplémentaires sont données en 5.2 à 5.5.
5.2 Types de mesurage
5.2.1 Vibrations absolues des carters de palier
Les mesurages des vibrations absolues des carters de palier sont habituellement réalisés sur des
groupes de machines hydrauliques à l’aide de capteurs sismiques (capteurs de vitesse électrodynamique
ou accéléromètres piézoélectriques avec intégration) afin de mesurer la vitesse moyenne quadratique
des vibrations v en mm/s.
rms
5.2.2 Vibrations radiales des arbres
5.2.2.1 Généralités
Les mesurages des vibrations relatives et absolues des arbres sont effectués sur les groupes de machines
hydrauliques en utilisant des capteurs sans contact afin de mesurer le déplacement crête-à-crête de
l’arbre S en µm. En règle générale, les sondes à capteurs sismiques accrochées aux arbres ne peuvent
p–p
pas être utilisées en raison de la plage de fréquences très basses exigée pour les mesurages effectués
sur des machines hydrauliques à faible vitesse.
S n’est pas recommandée pour les mesurages des vibrations des arbres; voir 5.4.4.
max
5.2.2.2 Mesurages des vibrations relatives des arbres
Pour les mesurages relatifs, il est courant d’installer les capteurs sur les carters de palier aussi près
que possible des paliers guides. Ils peuvent alors mesurer directement sur les portées des paliers ou
sinon, sur des zones d’arbre spéciales (par exemple sur des chemins de roulement usinés) qui ont été
préparées afin de limiter les écarts électriques et mécaniques. Dans le cas des paliers guides à segments,
les capteurs peuvent être montés entre les coussinets de palier en utilisant le carter du palier guide
comme support, ou bien directement en haut des coussinets, mais cette dernière méthode est beaucoup
moins utilisée.
Il convient de toujours veiller à ce que le support des capteurs de vibrations d’arbre soit toujours très
rigide. Si ce n’est pas le cas, le signal mesuré ne sera pas représentatif du mouvement relatif entre
l’arbre et le carter de palier. Cette exigence peut être évaluée par une analyse statique de la structure
ou par une vérification de la fréquence propre des supports des capteurs de vibrations à l’aide d’un
essai d’impact. Il convient que la fréquence radiale propre la plus basse de la structure de montage
des capteurs soit au moins 10 fois supérieure à la fréquence synchrone de rotation afin d’éliminer tout
risque de résonances dans le support de montage. Si la structure de support sur laquelle est monté le
capteur de vibrations d’arbre présente les signes d’une résonance, il faut y remédier avant de mesurer
le signal. En outre, il convient que la fréquence radiale propre la plus basse de la structure et du carter
de palier sur laquelle ou lequel le capteur doit être monté soit au moins 10 fois supérieure à la fréquence
synchrone de rotation.
Il convient de veiller à se conformer à toute spécification indiquée par le constructeur des capteurs afin
de maintenir un espace libre autour du capteur dans le but d’éviter les interférences magnétiques. Il
convient également de veiller à ce que l’intervalle entre le capteur et l’arbre soit supérieur à deux fois le
jeu radial maximal du palier afin d’éviter d’endommager le capteur. Si des câbles électriques sont passés
dans l’arbre et à proximité de la surface, les capteurs inductifs peuvent être affectés par les champs
magnétiques rayonnés.
Il est important que la surface de l’arbre où sont mesurées les vibrations soit exempte de ternissures,
de rayures, de bosses ou de tout autre défaut de surface. Il est normal de préparer spécifiquement le
chemin de roulement de l’arbre pour une utilisation avec des capteurs de déplacement d’arbre de sorte
à garder les écarts électriques et mécaniques combinés à une valeur très basse. Idéalement, il convient
que le chemin de roulement de l’arbre qui sert au mesurage des vibrations soit préparé en même temps
que les portées de palier.
5.2.2.3 Mesurages des vibrations absolues des arbres
Le déplacement vibratoire absolu S peut être mesuré directement à l’aide de capteurs de déplacement
p–p
lorsqu’un support rigide peut être prévu pour le capteur, par exemple une structure de support en acier
rigide montée à partir de la turbine ou de la paroi de la fosse du générateur. Les mesurages des vibrations
absolues des arbres ne sont pas courants, car il est difficile de satisfaire l’exigence de fourniture d’une
structure de support rigide sur laquelle fixer les capteurs.
8 © ISO 2018 – Tous droits réservés

Une autre possibilité consiste à additionner les vecteurs des vibrations relatives d’un arbre à l’aide de
capteurs sans contact et les vibrations absolues du châssis de support à l’aide de capteurs sismiques. Si
cela doit être réalisé, il convient d’installer les capteurs sismiques sur le châssis de support aussi près
que possible des capteurs d’arbre de sorte que ces deux types de capteurs mesurent dans le même sens
radial. Un calcul avec intégration et prise en compte de l’amplitude et de la phase des signaux vibratoires
peut être effectué afin de déterminer l’amplitude des vibrations absolues de l’arbre. À des fréquences
très basses (inférieures à 60 tr/min), la stabilité des capteurs sismiques à double intégration devient
problématique.
5.2.3 Vibrations des paliers et des arbres dans le sens axial
Pour effectuer un diagnostic ou surveiller les changements ou encore pour des évaluations d’ordre
mécanique, il est utile, voire parfois nécessaire, d’effectuer des mesurages axiaux. Ces mesurages
peuvent concerner soit le déplacement relatif de l’arbre soit les vibrations du carter de palier de butée,
soit les deux.
Les vibrations axiales du palier de butée sont généralement en corrélation avec l’effet axial des
pulsations de la pression hydraulique provenant de la turbine, ce qui peut endommager les surfaces
supportant la charge du palier de butée.
Cependant, il est peu courant, pendant la surveillance en continu du fonctionnement, de mesurer les
vibrations axiales sur les paliers qui supportent la charge radiale principale. Ce type de mesurage est
principalement utilisé pendant les analyses périodiques des vibrations ou à des fins de diagnostic.
Aucun critère d’évaluation des vibrations axiales des arbres n’est donné dans le présent document en
raison de l’absence de données de mesurage.
5.2.4 Influences néfastes
Les vibrations d’arbres et les vibrations des carters de palier peuvent être influencées par les vibrations
de la structure qui supporte les paliers. Le carter de palier inférieur du générateur des machines
horizontales peut être affecté par les vibrations transmises par le chapeau supérieur de la turbine quand
un cône ou un cylindre de support est utilisé. Dans de rares cas, les paliers de générateur supportés par
des semelles imbriquées dans le béton des fondations peuvent être affectés par les forces provenant de
la turbine qui sont transmises par les fondations.
Les groupes de machines à turbines Francis (et à turbines Kaplan dans de rares cas) peuvent présenter
des valeurs de vibrations supérieures au niveau des carters de palier lorsqu’il y a des remous
dans l’aspirateur (par exemple vortex, cavitation, tourbillons, écoulement instable, séparation de
l’écoulement). L’expérience a démontré que ces excitations peuvent survenir même dans des conditions
de fonctionnement normal. S’il y a suspicion de formation de remous dans l’aspirateur, il convient
d’effectuer des recherches approfondies.
5.3 Emplacements et sens des mesurages
5.3.1 Généralités
Les emplacements types utilisés pour le mesurage des vibrations des groupes hydrauliques sont
représentés sur les Figures 1 à 5 et, de façon plus détaillée, sur les Figures 6 et 7.
a) Sur les machines à orientation horizontale
10 © ISO 2018 – Tous droits réservés

b) Sur les machines à orientation verticale
Légende
1 amont (vue de dessus)
Figure 6 — Emplacements recommandés pour les mesurages des vibrations d’arbres
5.3.2 Mesurage des vibrations relatives d’arbre
Pour toutes les machines, il convient d’effectuer les mesurages des vibrations d’arbre à 90° d’intervalle.
Il convient de choisir l’emplacement et l’orientation des capteurs de vibrations de manière à obtenir la
valeur maximale des vibrations.
Sur les machines à orientation horizontale, il convient de placer les capteurs de vibrations à l’horizontale
et à la verticale, car d’importantes informations peuvent être obtenues lorsque les capteurs sont
installés dans les deux sens principaux de rigidité des supports de carters de palier, c’est-à-dire dans le
sens horizontal et dans le sens vertical.
Sinon, les capteurs peuvent être placés à ±45° de la verticale, comme représenté à la Figure 6 a), les
capteurs étant toujours distants de 90°.
Pour les machines à orientation verticale, il convient que les capteurs soient placés comme suit au
niveau de chaque palier guide: il convient de placer le premier capteur en position amont et le deuxième
à 90° par rapport à la position amont (dans le sens horaire, observé du dessus, indépendamment du
sens de rotation); voir Figure 6 b). Il convient de superposer verticalement les capteurs montés sur les
carters de palier supérieur et inférieur.
5.3.3 Mesurage des vibrations absolues des carters de palier
Pour les machines à orientation horizontale, il convient d’effectuer les mesurages radiaux idéalement
dans les deux sens vertical et horizontal, comme représenté à la Figure 7 a) et également, si possible,
sur le palier qui reçoit une charge de poussée dans le sens axial qui est parallèle à l’axe de l’arbre. Des
informations importantes peuvent être évaluées à partir de mesurages des vibrations de paliers si les
sens principaux de rigidité sont utilisés. Cela n’est pas possible si les mesurages des vibrations de palier
sont réalisés dans les sens à ±45°.
Pour les machines à vitesse lente équipées d’un axe d’arbre horizontal, comme les turbines bulbes
représentées à la Figure 2, les emplacements et sens de mesurage doivent être déterminés avec grand
soin en raison de la souplesse de la structure de support.
Pour les machines à orientation verticale, il convient que les capteurs soient placés comme suit au niveau
de chaque palier guide: il convient de placer le premier capteur en position amont et le deuxième à 90°
par rapport à la position amont (dans le sens horaire, observé du dessus, indépendamment du sens de
rotation; voir Figure 7 b). Si possible, il convient que les capteurs placés sur chaque palier guide soient
montés sur ou le plus près possible du carter de palier et disposés de façon à se trouver verticalement
l’un au-dessus de l’autre, c’est-à-dire sur le même plan vertical. Si à la fois des capteurs de vibrations
des carters et des capteurs de vibrations d’arbres sont utilisés, il convient de les monter aussi près que
possible les uns des autres afin de simplifier l’analyse du comportement des vibrations de la machine.
La Figure 7 représente de manière plus détaillée l’emplacement des capteurs de vibrations de palier.
a) Sur les machines à orientation horizontale
b) Sur les machines à orientation verticale
Légende
1 amont (vue de dessus)
Figure 7 — Emplacements recommandés pour les mesurages des vibrations des carters de palier
12 © ISO 2018 – Tous droits réservés

5.4 Équipement de mesurage
5.4.1 Généralités
Il convient que l’équipement de mesurage soit capable de mesurer l’amplitude des vibrations pendant
une durée minimale de 10 tours de la machine. Cela donne assez de temps pour collecter les vibrations
du vortex de l’aspirateur qui se produisent à des charges partielles et sont typiquement entre 0,25 et
0,33 de la fréquence de rotation (fréquence Rheingans). La fréquence d’intérêt la plus élevée pour les
évaluations des mécanismes hydrauliques est habituellement la fréquence la plus élevée de la machine
telle que donnée par la Formule (1):
max [3 z f , 3 z f] (1)
R rot G rot
où
z est le nombre de pales de la roue (pour les turbines Pelton, z est le nombre d’augets);
R R
f est la fréquence de rotation de la machine, en hertz (Hz);
rot
z est le nombre d’aubages directeurs (turbines Francis, Kaplan, bulbes, turbines-pompes)
G
ou d’avant-directrices en l’absence d’aubages directeurs (pour les turbines Pelton, z est le
G
nombre d’injecteurs).
NOTE La fréquence de rotation f (en Hz) est liée à la vitesse de rotation de la machine n, en r/min par
rot
n
frot= .
Il existe deux concepts distincts à ne pas confondre:
— la fréquence d’intérêt la plus élevée pour une machine donnée selon les caractéristiques de la
machine (fréquence de rotation, nombre d’aubages directeurs, etc.);
— la fréquence d’échantillonnage du signal relatif au système d’acquisition des vibrations. Il convient
que la fréquence d’échantillonnage soit suffisamment importante pour permettre une bonne
définition du signal.
Il convient que la fréquence d’analyse provenant de la transformation de Fourier rapide (FFT) soit égale
à au moins 2,1 fois la fréquence d’intérêt la plus élevée de la machine. Il convient de choisir la fréquence
d’échantillonnage selon le théorème Nyquist-Shannon, les caractéristiques du système d’acquisition
des données et l’utilisation de filtres anti-repliement. Il convient que la fréquence d’échantillonnage
soit égale à au moins 2,56 fois la fréquence d’analyse maximale. La fréquence d’échantillonnage
recommandée est égale à 4 fois la fréquence d’analyse maximale, c’est-à-dire 8,4 fois le maximum de z
R
f ou z f .
rot G rot
5.4.2 Mesurages des vibrations absolues des carters de palier
Il convient que les performances de l’équipement de mesurage soient conformes aux exigences de
l’ISO 2954 et de l’IEC 60994.
Le Tableau 1 représente la plage minimale des fréquences qu’il convient que l’équipement de mesurage
collecte.
Tableau 1 — Plage de fréquences pour les mesurages des vibrations absolues des carters de palier
Type de turbine Fréquence minimale Fréquence maximale
f f
min max
Turbine Francis 0,1 f 3 z f
rot R rot
Turbopompe 0,1 f 3 z f
rot R rot
a
Turbine Kaplan 0,1 f 3 z f
rot R rot
a
Turbine bulbe 0,1 f 3 z f
rot R rot
Turbine Pelton 0,1 f 3 z f
rot R rot
Ces plages de fréquences servent à évaluer le comportement vibratoire de la machine en conditions normales. Si des
problèmes liés au générateur sont suspectés, il convient d’utiliser une fréquence f beaucoup plus élevée cohérente avec
max
le phénomène électrique suspecté.
a
Pour les turbines à faible vitesse de rotation (Kaplan et bulbes), il faut parfois augmenter f jusqu’à 3 z f .
max G rot
Pour les turbines-pompes et les turbines Francis à haute chute, les vibrations au niveau du palier de
la turbine dépendent fortement de la chute et/ou de la vitesse de rotation. Il est relativement fréquent
de détecter des effets d’interaction entre le rotor et le stator avec les composantes haute fréquence
(habituellement 70 Hz à 500 Hz) en raison des pulsations de pression dans l’espace dépourvu d’aubages
qui agissent sur le chapeau supérieur et sur la bâche spirale.
De plus, dans certaines conditions de fonctionnement, les turbines hydrauliques sont sujettes à des
excitations de l’aspirateur (turbulences, tourbillons ou phénomènes de cavitation) qui génèrent
des composantes de fréquence à large bande qui sont transmises aux structures de support. Pour
diagnostiquer les principaux composants d’une turbine (roue, boulons des accouplements d’arbre,
vannes directrices, chapeau supérieur, labyrinthe et joints d’arbre avec les boulons associés), il est
toujours nécessaire d’analyser le signal entier non filtré.
Quand il est démontré que l’amplitude des vibrations de haute fréquence n’induit pas de niveaux de
contrainte importants sur les composants de la turbine, ces composantes de haute fréquence peuvent,
après accord, être filtrées du signal entier.
Pour les fréquences inférieures à 2 Hz, il convient de sélectionner avec grand soin les capteurs à utiliser.
Il convient de veiller en particulier à ce que l’équipement de mesurage soit bien doté d’une compensation
électronique afin d’obtenir une réponse uniforme sur toute la plaque de fréquences spécifiée. Lors des
mesurages sur des unités à basse fréquence de rotation (<2 Hz), la fréquence d’acquisition minimale
du capteur peut être supérieure à 0,10 f mais il convient qu’elle ne dépasse pas 0,25 f . Il convient
rot rot
de connaître tous les aspects ambiants risquant d’affecter les caractéristiques et la précision de
l’équipement de mesurage, ce qui inclut:
— les variations de température;
— les champs magnétiques;
— les champs sonores;
— les variations de la tension d’alimentation;
— la longueur du câble des capteurs;
— l’orientation des capteurs;
— la proximité éventuelle d’autres câbles électriques ou blocs d’alimentation.
Quel que soit le type de capteur utilisé, le signal vibratoire peut être intégré ou différentié pour obtenir
la vitesse vibratoire à vérifier par rapport aux limites d’action, car c’est le paramètre qui affecte le plus
la défaillance en fatigue.
Si l’équipement de mesurage est utilisé à des fins de diagnostic ou de détection des vibrations de Von
Kármán induites, il peut être nécessaire de choisir un capteur dont la limite de fréquence supérieure est
14 © ISO 2018 – Tous droits réservés

plus élevée que celle spécifiée. Il convient que les mesurages effectués à des fréquences plus élevées que
celles indiquées dans les tableau
...