ISO 22266-1:2022

Mechanical vibration — Torsional vibration of rotating machinery — Part 1: Evaluation of steam and gas turbine generator sets due to electrical excitation

This document provides guidelines for the assessment of torsional natural frequencies and component strength, under normal operating conditions, for the coupled shaft train, including long elastic rotor blades, of steam and gas turbine generator sets. In particular, the guidelines apply to the torsional responses of the coupled shaft train at grid and twice grid frequencies due to electrical excitation of the electrical network to which the turbine generator set is connected. Excitation at other frequencies (e.g. subharmonic frequencies) are not covered in this document. No guidelines are given regarding the torsional vibration response caused by steam excitation or other excitation mechanisms not related to the electrical network. Where the shaft cross sections and couplings do not fulfil the required strength criteria and/or torsional natural frequencies do not conform with defined frequency margins, other actions shall be defined to resolve the problem. The requirements included in this document are applicable to a) steam turbine generator sets connected to the electrical network, and b) gas turbine generator sets connected to the electrical network. Methods currently available for carrying out both analytical assessment and test validation of the shaft train torsional natural frequencies are also described. NOTE Radial (lateral, transverse) and axial vibration of steam and/or gas turbine generator sets is dealt with in ISO 20816-2.

Vibrations mécaniques — Vibration de torsion des machines tournantes — Partie 1: Évaluation des groupes électrogènes à turbine à vapeur et à gaz due à l'excitation électrique

Le présent document fournit des lignes directrices pour l’évaluation des fréquences naturelles de torsion et de la résistance des composants, dans des conditions de fonctionnement normales, pour le système d’arbres accouplés, y compris les longues aubes élastiques de rotor, de groupes générateurs à turbines à vapeur et à gaz. En particulier, les lignes directrices s’appliquent aux réponses en torsion du système d’arbres accouplés, à la fréquence du réseau et à deux fois la fréquence du réseau, dues à l’excitation électrique du réseau électrique auquel le groupe générateur à turbine est connecté. Les excitations à d’autres fréquences (par exemple fréquences sous-harmoniques) ne sont pas couvertes dans le présent document. Aucunes lignes directrices ne sont données concernant la réponse aux vibrations de torsion provoquée par une excitation vapeur ou d’autres mécanismes d’excitation non liés au réseau électrique. Lorsque les sections transversales d’arbre et les accouplements d’arbres ne remplissent pas les critères de résistance requis et/ou que les fréquences naturelles de torsion ne sont pas conformes aux marges de fréquences définies, d’autres actions doivent être définies pour résoudre le problème. Les exigences incluses dans le présent document sont applicables aux a) groupes générateurs à turbine à vapeur connectés au réseau électrique, et b) groupes générateurs à turbine à gaz connectés au réseau électrique. Des méthodes actuellement disponibles pour réaliser à la fois une évaluation analytique et une validation d’essai des fréquences naturelles de torsion du système d’arbres sont également décrites. NOTE: La vibration radiale (latérale, transversale) et axiale de groupes générateurs à turbine et/ou à gaz est traitée dans l’ISO 20816-2.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 17-May-2022
• ICS: 17.160 - Vibrations, shock and vibration measurements
• ICS: 29.160.40 - Generating sets
• Technical Committee: ISO/TC 108/SC 2 - Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied to machines, vehicles and structures
• Drafting Committee: ISO/TC 108/SC 2/WG 1 - Rotordynamics and vibration of machines
• Current Stage: 6060 - International Standard published
• Start Date: 18-May-2022
• Due Date: 22-Mar-2022
• Completion Date: 18-May-2022

Relations

• Revises: ISO 22266-1:2009 - Mechanical vibration — Torsional vibration of rotating machinery — Part 1: Land-based steam and gas turbine generator sets in excess of 50 MW
• Effective Date: 23-Apr-2020

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 22266-1
Second edition
2022-05
Mechanical vibration — Torsional
vibration of rotating machinery —
Part 1:
Evaluation of steam and gas turbine
generator sets due to electrical
excitation
Vibrations mécaniques — Vibration de torsion des machines
tournantes —
Partie 1: Évaluation des groupes électrogènes à turbine à vapeur et à
gaz due à l'excitation électrique
Reference number
© ISO 2022
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]
Email: [e-mail]
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms and symbols .4
4.1 Abbreviated terms . 4
4.2 Symbols . 4
5 Shaft train modelling and uncertainties . 5
5.1 General . 5
5.2 Modelling of the shaft train and the electrical system . 5
5.2.1 General . 5
5.2.2 Elastic blade modelling . 6
5.2.3 Modelling generator rotor windings . 6
5.2.4 Grid/excitation modelling . 6
5.2.5 Damping modelling . 7
5.2.6 Gear box modelling. 7
5.2.7 Flexible coupling modelling . 7
5.3 Design element uncertainties. 7
5.4 Determination of calculation uncertainties . 8
6 Shaft train evaluation . 9
6.1 General . 9
6.2 Natural frequency assessment . 11
6.2.1 General . 11
6.2.2 Torsional frequency margins . 13
6.2.3 Natural frequency criteria . 14
6.3 Stress assessments . 16
6.3.1 General . 16
6.3.2 Expertise criterion . 17
6.3.3 Stress/fatigue criterion . 17
7 Calculation of shaft train torsional vibration .17
7.1 General . 17
7.2 Calculation data . 17
7.3 Calculation results . 18
7.4 Calculation report . 18
8 Measurement of shaft train torsional vibration .18
8.1 General . 18
8.2 Method of measurement . 18
8.3 Measurement report. 19
9 General requirements .19
9.1 Supplier and customer responsibilities . 19
9.2 Acceptance criterion . 20
Annex A (informative) Torsional vibration measurement techniques .21
Annex B (informative) Frequency margin examples relative to grid and twice grid
frequencies for shaft train modes .32
Annex C (informative) Commonly experienced electrical faults .34
Bibliography .38
iii
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 of 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
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 second edition cancels and replaces the first edition (ISO 22266-1:2009), which has been
technically revised.
The main changes are as follows:
— terms and definitions revised to account for definitions given in other standards;
— evaluation concept refined and substantiated, contradictory statements removed;
— guidance on modelling uncertainties added;
— annex enhanced to give guidance on measurement equipment for monitoring torsional vibration;
— wording at some instances revised in order to make the content unambiguous;
A list of all parts of the ISO 22266 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
Introduction
During the 1970s, a number of major incidents occurred in power plants that were deemed to be caused
by or that were attributed to rotor torsional vibration. In those incidents, generator rotors and some
of the long elastic turbine blades of the LP rotors were damaged. In general, the incidents were due
to vibration modes of the coupled shaft and blade system that were resonant with the grid electrical
excitation frequencies. Detailed investigations were carried out and it became apparent that the
mathematical models used at that time to predict rotor torsional natural frequencies were not adequate.
In particular, they did not take into account, with sufficient accuracy, the coupling between long elastic
turbine blades and the shaft line. Therefore, advanced research work was carried out to analyse the
blade-to-disc-to-shaft coupling effects more accurately and branch models were developed to account
properly for these effects in shaft train torsional natural frequency calculations.
In the 1980s, torsional factory tests were developed to verify the predicted torsional natural frequencies
of LP rotors. These factory tests were very useful in identifying any necessary corrective actions before
the product went into service. However, it is not always possible to test all the elements that comprise
the assembled rotor. Hence, unless testing is carried out on the shaft train on site, some discrepancies
could still exist between the overall system model and the installed machine.
There is inevitably some uncertainty regarding the accuracy of the calculated and measured torsional
natural frequencies. It is therefore necessary to design shaft tra
...

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 22266-1
Second edition
2022-05
Corrected version
2022-08
Mechanical vibration — Torsional
vibration of rotating machinery —
Part 1:
Evaluation of steam and gas turbine
generator sets due to electrical
excitation
Vibrations mécaniques — Vibration de torsion des machines
tournantes —
Partie 1: Évaluation des groupes électrogènes à turbine à vapeur et à
gaz due à l'excitation électrique
Reference number
© ISO 2022
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]
Email: [e-mail]
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms and symbols .4
4.1 Abbreviated terms . 4
4.2 Symbols . 4
5 Shaft train modelling and uncertainties . 5
5.1 General . 5
5.2 Modelling of the shaft train and the electrical system . 5
5.2.1 General . 5
5.2.2 Elastic blade modelling . 6
5.2.3 Modelling generator rotor windings . 6
5.2.4 Grid/excitation modelling . 6
5.2.5 Damping modelling . 7
5.2.6 Gear box modelling. 7
5.2.7 Flexible coupling modelling . 7
5.3 Design element uncertainties. 7
5.4 Determination of calculation uncertainties . 8
6 Shaft train evaluation . 9
6.1 General . 9
6.2 Natural frequency assessment . 11
6.2.1 General . 11
6.2.2 Torsional frequency margins . 13
6.2.3 Natural frequency criteria . 14
6.3 Stress assessments . 16
6.3.1 General . 16
6.3.2 Expertise criterion . 17
6.3.3 Stress/fatigue criterion . 17
7 Calculation of shaft train torsional vibration .17
7.1 General . 17
7.2 Calculation data . 17
7.3 Calculation results . 18
7.4 Calculation report . 18
8 Measurement of shaft train torsional vibration .18
8.1 General . 18
8.2 Method of measurement . 18
8.3 Measurement report. 19
9 General requirements .19
9.1 Supplier and customer responsibilities . 19
9.2 Acceptance criterion . 20
Annex A (informative) Torsional vibration measurement techniques .21
Annex B (informative) Frequency margin examples relative to grid and twice grid
frequencies for shaft train modes .32
Annex C (informative) Commonly experienced electrical faults .34
Bibliography .38
iii
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 of 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
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 second edition cancels and replaces the first edition (ISO 22266-1:2009), which has been
technically revised.
The main changes are as follows:
— terms and definitions revised to account for definitions given in other standards;
— evaluation concept refined and substantiated, contradictory statements removed;
— guidance on modelling uncertainties added;
— annex enhanced to give guidance on measurement equipment for monitoring torsional vibration;
— wording at some instances revised in order to make the content unambiguous;
A list of all parts of the ISO 22266 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
This corrected version of ISO 22266-1:2022 incorporates the following correction:
— In the second paragraph of Annex B, the verbal form "shall" was reverted back to "must" in the third
sentence to read: "To cause significant torsional vibration, the excitation frequency must be close to
a torsional natural frequency of the shaft train for a sufficiently long time for the vibration mode to
become established."
iv
Introduction
During the 1970s, a number of major incidents occurred in power plants that were deemed to be caused
by or that were attributed to rotor torsional vibration. In those incidents, generator rotors and some
of the long elastic turbine blades of the LP rotors were damaged. In general, the incidents were due
to vibration modes of the coupled shaft and blade system that were resonant with the grid electrical
excitation frequencies. Detailed investigations were carried out and it became apparent that the
mathematical models used at that time to predict rotor torsional natural frequencies were not adequate.
In particular, they did not take into account, with sufficient accuracy, the coupling between long elastic
turbine blades and the shaft line. Therefore, advanced research work was carried out to analyse the
blade-to-disc-to-shaft coupling effects more accurately and branch models were developed to account
properly for these effects in shaft train torsional natural frequency calculations.
In the 1980s, torsional factory tests were developed to verify the predicted torsional natural frequencies
of LP rotors. These factory tests were very useful in identifying any necessary corrective actions before
the product went
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 22266-1
Deuxième édition
2022-05
Vibrations mécaniques — Vibration de
torsion des machines tournantes —
Partie 1:
Évaluation des groupes électrogènes
à turbine à vapeur et à gaz due à
l'excitation électrique
Mechanical vibration — Torsional vibration of rotating machinery —
Part 1: Evaluation of steam and gas turbine generator sets due to
electrical excitation
Numéro de référence
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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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]
E-mail: [e-mail]
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 2
4 Termes abrégés et symboles . 4
4.1 Termes abrégés . 4
4.2 Symboles . 4
5 Modélisation d’un système d’arbres et incertitudes . 5
5.1 Généralités . 5
5.2 Modélisation du système d’arbres et du système électrique. 5
5.2.1 Généralités . 5
5.2.2 Modélisation des aubes élastiques . 6
5.2.3 Modélisation des enroulements de rotor du générateur . 7
5.2.4 Modélisation du réseau/d’une excitation . 7
5.2.5 Modélisation de l’amortissement . 7
5.2.6 Modélisation des boîtes d’engrenages . 7
5.2.7 Modélisation des accouplements flexibles . 8
5.3 Incertitudes des éléments de conception. 8
5.4 Détermination des incertitudes de calcul . 9
6 Évaluation du système d'arbres .10
6.1 Généralités . 10
6.2 Évaluation des fréquences naturelles .12
6.2.1 Généralités .12
6.2.2 Marges de fréquences de torsion . 13
6.2.3 Critères de fréquence naturelle . 14
6.3 Évaluations des contraintes . 17
6.3.1 Généralités . 17
6.3.2 Critère d’expertise . 18
6.3.3 Critère de contrainte/fatigue . 18
7 Calcul des vibrations de torsion du système d'arbres .18
7.1 Généralités . 18
7.2 Données de calcul. 19
7.3 Résultats de calcul . 19
7.4 Rapport de calcul . . 19
8 Mesurage des vibrations de torsion du système d'arbres .19
8.1 Généralités . 19
8.2 Méthode de mesurage . 19
8.3 Rapport de mesurage .20
9 Exigences générales . .20
9.1 Responsabilités du fournisseur et du client . 20
9.2 Critère d’acceptation . 21
Annexe A (informative) Techniques de mesurage des vibrations de torsion .22
Annexe B (informative) Exemples de marge de fréquences relatifs à la fréquence du réseau
et à deux fois la fréquence du réseau pour des modes de système d’arbres .34
Annexe C (informative) Défauts électriques couramment enregistrés .36
Bibliographie .40
iii
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 appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. 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/patents).
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.
Le présent document a été préparé par le Comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
et leur surveillance, Sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant
les machines, les véhicules et les structures.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 22266-1:2009), qui a fait l'objet
d'une révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— termes et définitions révisés pour prendre en compte des définitions données dans d’autres normes;
— concept d’évaluation perfectionné et documenté, déclarations contradictoires supprimées;
— recommandations sur les incertitudes de modélisation ajoutées;
— annexe améliorée pour donner des recommandations sur l’équipement de mesurage permettant de
surveiller les vibrations de torsion;
— formulation de certains exemples révisée afin de rendre le contenu non ambigu.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 22266 est disponible sur le site Internet de l’ISO.
Il convient d’adresser tout retour ou toute question concernant le présent document à l’organisme
national de normalisation de l’utilisateur. Une liste exhaustive desdits organismes se trouve à l’adresse
www.iso.org/members.html.
iv
Introduction
Pendant les années 1970, un certain nombre d’incidents majeurs se sont produits dans des installations
de production d’énergie, qui ont été réputés causés par ou qui ont été attribués à des vibrations de
torsion de rotor. Dans ces incidents, des rotors de générateur et certaines des longues aubes élastiques
de turbine des rotors à BP ont été endommagés. En général, les incidents étaient dus à des modes
de vibration du système d’arbres et d’aubes accouplés qui étaient en résonance avec les fréquences
d’excitation électrique du réseau. Des enquêtes détaillées ont été réalisées, et il est devenu apparent
que les modèles mathématiques utilisés à ce moment pour prévoir les fréquences naturelles de torsion
du rotor n’étaient pas adéquats. En particulier, ils ne prenaient pas en compte, avec une précision
suffisante, le couplage entre les longues aubes élastiques de turbine et la ligne de l’arbre. Des travaux
de recherche avancés ont donc été réalisés pour analyser plus précisément les effets de couplage des
aubes, du disque et de l’arbre, et des modèles de branche ont été développés pour prendre correctement
en compte ces effets dans les calculs de fréquences naturelles de torsion d’un système d’arbres.
Dans les années 1980, des essais de torsion en usine ont été développés pour vérifier les fréquences
naturelles de torsion prévues de rotors à BP. Ces essais en usine ont été très utiles dans l’identification
de toutes actions correctives né
...