Mechanical vibration -- Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts

ISO 10816-4:2009 establishes specific provisions for evaluating the severity of in-situ, broad-band vibration measured radial (i.e. transverse) to the shaft axis on all main bearing housings or pedestals and in the axial direction on thrust bearings. These are in terms of: - vibration under normal steady-state operating conditions; - vibration during other (non-steady-state) conditions when transient changes are taking place, including run up or run down, initial loading and load changes; - changes in vibration which can occur during normal steady-state operation. ISO 10816-4:2009 is applicable to heavy-duty gas turbine sets used in electrical and mechanical drive applications, with fluid-film bearings, outputs greater than 3 MW and an operating speed range under load between 3 000 r/min and 30 000 r/min.

Vibrations mécaniques -- Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les parties non tournantes

L'ISO 10816-4:2009 établit des dispositions pour évaluer la sévérité in situ des vibrations en bande large mesurées radialement (c'est-ŕ-dire transversalement) par rapport ŕ l'axe de l'arbre sur tous les corps ou supports de paliers principaux et dans la direction axiale sur les paliers de butée. Il s'agit des vibrations dans des conditions normales de fonctionnement en régime permanent; des vibrations dans d'autres conditions (en régime non permanent), lorsque des fluctuations transitoires interviennent, notamment pendant la montée en vitesse ou le ralentissement, le chargement initial et les variations de charge; et des changements de vibrations susceptibles de se produire durant un fonctionnement normal en régime permanent. L'ISO 10816-4:2009 est applicable aux ensembles de turbines ŕ gaz en service intensif utilisées dans des applications ŕ commande électrique et mécanique, avec paliers ŕ film fluide, des puissances développées supérieures ŕ 3 MW et une gamme de vitesses de fonctionnement en charge comprises entre 3 000 r/min et 30 000 r/min.

General Information

Status
Withdrawn
Publication Date
29-Sep-2009
Withdrawal Date
29-Sep-2009
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
09-Sep-2009
Completion Date
30-Sep-2009
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ISO 10816-4:2009 - Vibrations mécaniques -- Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les parties non tournantes
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 10816-4
Second edition
2009-10-01
Mechanical vibration — Evaluation of
machine vibration by measurements on
non-rotating parts —
Part 4:
Gas turbine sets with fluid-film bearings
Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des machines par
mesurages sur les parties non tournantes —
Partie 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide
Reference number
ISO 10816-4:2009(E)
ISO 2009
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ISO 10816-4:2009(E)
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Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2009 – All rights reserved
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ISO 10816-4:2009(E)
Contents Page

Foreword ............................................................................................................................................................iv

Introduction.........................................................................................................................................................v

1 Scope......................................................................................................................................................1

2 Normative references............................................................................................................................2

3 Measurement procedures.....................................................................................................................2

4 Evaluation criteria.................................................................................................................................4

4.1 General...................................................................................................................................................4

4.2 Criterion I: Vibration magnitude ..........................................................................................................5

4.3 Criterion II: Change in vibration magnitude under steady-state conditions at normal

operating speed...................................................................................................................................10

4.4 Supplementary procedures/criteria...................................................................................................10

4.5 Evaluation based on vibration vector information ..........................................................................10

Annex A (normative) Evaluation zone boundaries........................................................................................12

Annex B (informative) Example of setting ALARM and TRIP values...........................................................13

Annex C (informative) Cautionary notes about the use of vibration velocity criteria at low

rotational speeds.................................................................................................................................14

Bibliography......................................................................................................................................................16

© ISO 2009 – All rights reserved iii
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ISO 10816-4:2009(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies

(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO

technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been

established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and

non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the

International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.

The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards

adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an

International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent

rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

ISO 10816-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition

monitoring, Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied

to machines, vehicles and structures.

This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 10816-4:1998), of which it constitutes a

technical revision. The main changes are:

⎯ clarification that the document applies only to gas turbine sets with fluid-film bearings;

⎯ emphasis on acceptance specifications always being agreed on between the supplier and the purchaser

of the gas turbine set prior to installation;

⎯ the addition of provisions for evaluating the vibration of coupled gas turbine sets during transient

operation;

⎯ introduction of a new annex providing cautionary notes about the use of constant vibration velocity criteria

at low frequencies;

⎯ closer alignment of this part of ISO 10816 with ISO 7919-2, ISO 7919-4 and ISO 10816-2.

ISO 10816 consists of the following parts, under the general title Mechanical vibration — Evaluation of

machine vibration by measurements on non-rotating parts:
⎯ Part 1: General guidelines

⎯ Part 2: Land-based steam turbines and generators in excess of 50 MW with normal operating speeds of

1 500 r/min, 1 800 r/min, 3 000 r/min and 3 600 r/min

⎯ Part 3: Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and

15 000 r/min when measured in situ
⎯ Part 4: Gas turbine sets with fluid-film bearings
⎯ Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants
⎯ Part 6: Reciprocating machines with power ratings above 100 kW

⎯ Part 7: Rotodynamic pumps for industrial applications, including measurements on rotating shafts

iv © ISO 2009 – All rights reserved
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ISO 10816-4:2009(E)
Introduction

ISO 10816-1 is the basic part of ISO 10816 giving the general requirements for evaluating the vibration of

various machine types when the vibration measurements are made on non-rotating parts. This part of

ISO 10816 gives specific provisions for assessing the severity of vibration measured on the bearing housings

or pedestals of gas turbine sets. Measurements at these locations characterize the state of vibration

reasonably well. Evaluation criteria, based on previous experience, are presented. These can be used for

assessing the vibratory condition of such machines.

Two criteria are provided for assessing the machine vibration when operating under steady-state conditions.

One criterion considers the magnitude of the observed vibration; the second considers changes in the

magnitude. In addition, different criteria are provided for transient operating conditions. However, vibration on

non-rotating parts does not form the only basis for judging the severity of vibration. For gas turbine sets, it is

also common to judge the vibration based on measurements taken on the rotating shafts. For shaft vibration

measurement requirements, see ISO 7919-1 and ISO 7919-4.

The evaluation procedures presented in this part of ISO 10816 are based on broad-band measurements.

However, because of advances in technology, the use of narrow-band measurements or spectral analysis has

become increasingly widespread, particularly for the purposes of vibration evaluation, condition monitoring

and diagnostics. The specification of criteria for such measurements is beyond the scope of this part of

ISO 10816. They are dealt with in greater detail in ISO 13373 (all parts), which establish provisions for the

vibration condition monitoring of machines.
© ISO 2009 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 10816-4:2009(E)
Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by
measurements on non-rotating parts —
Part 4:
Gas turbine sets with fluid-film bearings
1 Scope

This part of ISO 10816 establishes provisions for evaluating the severity of in-situ, broad-band vibration

measured radial (i.e. transverse) to the shaft axis on all main bearing housings or pedestals and in the axial

direction on thrust bearings. These are in terms of:
⎯ vibration under normal steady-state operating conditions;

⎯ vibration during other (non-steady-state) conditions when transient changes are taking place, including

run up or run down, initial loading and load changes;
⎯ changes in vibration which can occur during normal steady-state operation.

This part of ISO 10816 is applicable to heavy-duty gas turbine sets used in electrical and mechanical drive

applications, with fluid-film bearings, outputs greater than 3 MW and an operating speed range under load

between 3 000 r/min and 30 000 r/min. This includes gas turbines coupled to other rotating machinery either

directly or through a gearbox. In some cases, this part of ISO 10816 is not applicable to the evaluation of the

vibration of the coupled equipment (see the list of exclusions in this clause).

EXAMPLE For single-shaft combined-cycle power units in which a gas turbine is coupled to a steam turbine and/or

generator, the evaluation of the gas turbine vibration is according to this part of ISO 10816, but that of the steam turbine

and generator is according to ISO 10816-2 or ISO 10816-3.
This part of ISO 10816 is not applicable to the following:

a) aero-derivative gas turbines (including gas turbines with dynamic properties similar to those of aero-

derivatives);

NOTE ISO 3977-3 defines aero-derivatives as aircraft propulsion gas generators adapted to drive mechanical,

electrical or marine propulsion equipment. Large differences exist between heavy-duty and aero-derivative gas

turbines, for example in casing flexibility, bearing design, rotor to stator mass ratio and mounting structure. Different

criteria therefore apply for these two turbine types.
b) gas turbines with outputs less than or equal to 3 MW (see ISO 10816-3);
c) gas turbine driven pumps (see ISO 10816-7);

d) coupled steam turbines and/or generators with outputs less than or equal to 50 MW (see ISO 10816-3);

e) coupled steam turbines and/or generators with outputs greater than 50 MW (see ISO 10816-2);

f) synchronizing clutches which couple the gas turbine to a steam turbine or generator (see ISO 10816-2);

g) coupled compressors (see ISO 10816-3);
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ISO 10816-4:2009(E)
h) gearbox vibration (see this clause);
i) rolling element bearing vibration.

This part of ISO 10816 is applicable to other driven equipment not included in this list of exclusions.

This part of ISO 10816 is applicable to machines which can be coupled to a gearbox, but does not address

the evaluation of the vibration condition of those gears. Specialist techniques are required for evaluating the

vibration condition of gears which are outside the scope of this part of ISO 10816.

The numerical values specified are not intended to serve as the only basis for judging the severity of vibration.

For gas turbine sets, it is also common to judge the vibration based on measurements taken on the rotating

shafts. For such vibration measurement requirements, see ISO 7919-1 and ISO 7919-4.

2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated

references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced

document (including any amendments) applies.

ISO 7919-4, Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts —

Part 4: Gas turbine sets with fluid-film bearings

ISO 10816-1:1995, Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating

parts — Part 1: General guidelines
3 Measurement procedures

The measurement procedures and instrumentation shall comply with the general requirements of ISO 10816-1

and are as follows.

For monitoring purposes, the measurement system shall be capable of measuring broad-band vibration over a

frequency range from 10 Hz to at least 500 Hz or six times the maximum normal operating frequency,

whichever is the greater. If, however, the instrumentation is also used for diagnostic purposes, a wider

frequency range and/or spectral analysis can be necessary. For example, in cases where the frequency

corresponding to the first critical speed of the gas turbine is below 10 Hz, the lower limit of the linear range of the

measurement system shall be reduced accordingly. In special cases where significant low-frequency vibration

can be transmitted to the machine, such as in earthquake regions, it can be necessary to filter the low-frequency

response of the instrumentation and/or implement an appropriate time delay. If measurements from different

machines are compared, care should be taken to ensure that the same frequency range is used.

The locations of vibration measurements should be such that they provide adequate sensitivity to the dynamic

forces of the machine. Care should be taken to ensure that the measurement equipment is not unduly

influenced by external sources, such as combustion vibration, gear mesh vibration, and airborne and

structure-borne noise. Typically, this requires measuring in two radial directions on each main bearing cap or

pedestal with a pair of orthogonal transducers, as shown in Figures 1 and 2. The transducers may be placed

at any angular location on the bearing housings or pedestals, although vertical and horizontal directions are

usually preferred.

A single radial transducer may be used on a bearing cap or pedestal in place of the more typical pair of

orthogonal transducers if it is known to provide adequate information on the magnitude of the machine

vibration. In general, however, caution should be observed when evaluating vibration from a single transducer

at a measurement plane since it might not be oriented to provide a reasonable approximation of the maximum

value at that plane.
2 © ISO 2009 – All rights reserved
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ISO 10816-4:2009(E)

It is not common practice to measure axial vibration on the main radial load carrying bearings of gas turbines

for continuous operational monitoring. Such measurements are primarily used during periodic vibration

surveys or for diagnostic purposes. Hence, in this part of ISO 10816, axial vibration criteria are only provided

for thrust bearings where the vibration severity can be judged using the same criteria as for radial vibration

(see Table A.1). For other bearings where there are no axial restraints, a less stringent requirement may be

used for the evaluation of axial vibration.

NOTE The evaluation criteria in this part of ISO 10816 are applicable to radial vibration on all main bearings and to

axial vibration on thrust bearings.
Direction of measurement.

Figure 1 — Typical measuring points and directions on bearing pedestals and bearing caps

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ISO 10816-4:2009(E)

NOTE The evaluation criteria in this part of ISO 10816 are applicable to radial vibration on all main bearings and to

axial vibration on thrust bearings.
Direction of measurement.
Figure 2 — Typical measuring points and directions on a gas turbine bearing

The characteristics of the measurement system should be known with regard to the effects of the environment,

including:
a) temperature variations;
b) magnetic fields;
c) airborne and structure-borne noise;
d) power source variations;
e) cable impedance;
f) transducer cable length;
g) transducer orientation;
h) stiffness of the transducer attachment.

Particular attention should be given to ensuring that the vibration transducers are correctly mounted and that

the mounting arrangement does not degrade the accuracy of the measurement (see for example ISO 2954

and ISO 5348).
4 Evaluation criteria
4.1 General

ISO 10816-1 provides a general description of the two evaluation criteria used to assess the vibration severity on

various classes of machines. One criterion considers the magnitude of the observed broad-band vibration; the

second criterion considers changes in magnitude, irrespective of whether they are increases or decreases.

4 © ISO 2009 – All rights reserved
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ISO 10816-4:2009(E)

The maximum magnitude of vibration measured is defined as the vibration severity. The values presented are

the result of experience with machinery of this type and, if due regard is paid to them, acceptable operation

can be expected.

NOTE These values are based on previous International Standards, on the results of a survey which was carried out

when ISO 7919 (all parts) and ISO 10816 (all parts) were initially developed and on the feedback provided by the experts

of ISO/TC 108.

Criteria are presented for steady-state operating conditions at the specified normal operating speed (or

speeds) and load ranges, including normal slow changes in power output. Alternative criteria are also

presented for other non-steady-state conditions when transient changes are taking place. The vibration criteria

represent target values which give provisions for ensuring that gross deficiencies or unrealistic requirements

are avoided. They serve as a basis for defining acceptance specifications (see 4.2.2.3).

The criteria relate to the vibration produced by the gas turbine set and not to vibration transmitted from outside

the machinery set. If it is suspected that there is a significant influence due to transmitted vibration (either

steady-state or intermittent), measurements should be taken with the gas turbine set shut down. If the

magnitude of the transmitted vibration is unacceptable, steps should be taken to remedy the situation.

It should be noted that an overall judgement of the vibratory state of a machine is often made on the basis of

measurements made on both non-rotating parts and rotating shafts.
4.2 Criterion I: Vibration magnitude
4.2.1 General

This criterion is concerned with defining values for absolute vibration magnitude consistent with acceptable

dynamic loads on the bearings and acceptable vibration transmission into the support structure and

foundation.

4.2.2 Vibration magnitude at normal operating speeds under steady-state operating conditions

4.2.2.1 General

The maximum vibration magnitude observed at each bearing or pedestal is assessed against four evaluation

zones established from international experience.
4.2.2.2 Evaluation zones

The following evaluation zones are defined to permit an assessment of the vibration of a given machine under

steady-state conditions at normal operating speed (or speeds) and to provide guidelines on possible actions.

Zone A: The vibration of newly commissioned machines normally falls within this zone.

Zone B: Machines with vibration within this zone are normally considered acceptable for unrestricted long-term

operation.

Zone C: Machines with vibration within this zone are normally considered unsatisfactory for long-term

continuous operation. Generally, the machine may be operated for a limited period in this condition until a

suitable opportunity arises for remedial action.

Zone D: Vibration values within this zone are normally considered to be of sufficient severity to cause damage

to the machine.
NOTE For transient operation, see 4.2.4.
© ISO 2009 – All rights reserved 5
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ISO 10816-4:2009(E)
4.2.2.3 Acceptance criteria

Acceptance criteria shall always be subject to agreement between the machine supplier and purchaser prior

to installation. The evaluation zones provide a basis for defining acceptance criteria for new or refurbished

machines.

NOTE Historically, for new machines, acceptance criteria have been specified in zone A or zone B, but would

normally not exceed 1,25 times the zone A/B boundary.
4.2.2.4 Evaluation zone boundaries

The zone boundary values are given in Table A.1. They apply to radial vibration measurements on all

bearings and to axial vibration measurements on thrust bearings when taken under steady-state conditions at

normal operating speed (or speeds). The numerical values assigned to the zone boundaries were established

from representative data provided by manufacturers and users. There was inevitably a significant spread in

the data. The values given in Table A.1 do nevertheless give provisions for ensuring that gross deficiencies or

unrealistic requirements are avoided.

Higher vibration is permitted at other measurement positions and during transient conditions (see 4.2.4).

In most cases, the values given in Table A.1 are consistent with ensuring that the dynamic loads transmitted

to the bearing support structure and foundation are acceptable. However, in certain cases, there can be

specific features or available experience associated with a particular machine type which can require other

values (higher or lower) to be used for the zone boundaries. The following are examples.

a) The machine vibration can be influenced by its mounting system and coupling arrangement between

rotors. Higher bearing vibration may therefore be permitted for flexible bearing supports when the shaft

relative vibration in the measurement direction is low, indicating that the dynamic forces transmitted to the

support structure are also low. It may then be acceptable, based on demonstrated satisfactory operating

history, for the zone boundary values given in Table A.1 to be increased.

b) For relatively lightly loaded bearings or other more flexible bearings, other criteria based on the detailed

machine design may be used.

NOTE 1 Different values can apply for measurements taken at different bearings on the same rotor line.

In general, when higher zone boundary values are used it can be necessary for technical justification to be

provided to confirm that the machine's reliability is not compromised by operating with higher vibration. This

could be based, for example on the detailed features of the machine or on successful operating experience

with machines of similar structural design and support.

NOTE 2 This part of ISO 10816 does not provide different evaluation zone values for gas turbine sets mounted on rigid

and flexible foundations. This is consistent with ISO 7919-4, which deals with shaft vibration measurements for the same

class of machines. However, it is possible that this part of ISO 10816 and ISO 7919-4 will be revised in the future to give

different criteria with respect to support flexibility, if additional analysis of survey data on such machines shows it to be

warranted.

The common measurement parameter for assessing machine vibration severity is velocity. Table A.1 presents

the evaluation zone boundaries based on broad-band r.m.s. (root-mean-square) velocity measurements. In

some cases, however, it was customary to measure vibration with instruments scaled to read peak rather than

r.m.s. vibration velocity values. If the vibration consists mainly of one frequency component (e.g. for gas

turbine sets, it is common for the vibration to be predominantly at the operating frequency of the machine), a

simple relationship exists between the peak and r.m.s. values and the zone boundaries of Table A.1 can be

readily expressed as zero-to-peak values by multiplying by 2 . Alternatively, the measured peak vibration

values can be divided by 2 and judged against the r.m.s. criteria of Table A.1.

NOTE 3 A different factor can be required if instrumentation measuring true peak values is used.

6 © ISO 2009 – All rights reserved
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ISO 10816-4:2009(E)
4.2.3 Operational limits for steady-state operation
4.2.3.1 General

For long-term steady-state operation, it is common practice to establish operational vibration limits. These

limits take the form of ALARMS and TRIPS.

ALARMS: To provide a warning that a defined vibration limit has been reached or a significant change has

occurred, at which remedial action may be necessary. In general, if an ALARM occurs, operation can continue

for a period whilst investigations are carried out (e.g. examine the influence of load, speed or other operational

parameters) to identify the reason for the change in vibration and to define any remedial action.

TRIPS: To specify the magnitude of vibration beyond which further operation of the machine can cause

damage. If the TRIP limit is exceeded, immediate action should be taken to reduce the vibration or the

machine should be shut down.

Different operational limits, reflecting differences in dynamic loading and support stiffness, may be specified for

different measurement positions and directions.
4.2.3.2 Setting of ALARMS

The ALARM limits may vary for individual machines. It is recommended that the values chosen normally be

set relative to baseline values determined from experience for the measurement position or direction for that

particular machine.

It is recommended that the ALARM limit be set higher than the baseline by an amount equal to 25 % of the

zone boundary B/C. The ALARM limit should not normally exceed 1,25 times the zone boundary B/C. If the

baseline value is low, the ALARM limit may be less than the zone B/C boundary (see the example in Annex B).

Where there is no established baseline (e.g. with a new machine), the initial ALARM setting should be based

either on experience with other similar machines or relative to agreed acceptance values. In cases where no

such data are available, the ALARM limit for steady-state operation at normal operating speed should not

exceed the zone boundary B/C. After a period of time, the steady-state baseline values become established

and the ALARM setting should be adjusted accordingly.

Where the vibration signal is non-steady and non-repetitive, some method of averaging is required.

If the steady-state baseline changes (e.g. after a machine overhaul), the ALARM setting should be revised

accordingly. Different operational ALARM settings may subsequently exist for different measurement positions

on the machine, reflecting differences in dynamic loading and bearing support stiffness.

An example of establishing ALARM limits is given in Annex B.
4.2.3.3 Setting of TRIPS

The TRIP limits generally relate to the mechanical integrity of the machine and are dependent on any specific

design features which have been introduced to enable the machine to withstand abnormal dynamic forces.

For example the bearings of many heavy-duty gas turbines are mounted on flexible supports which allow

significantly higher vibration to be tolerated than would be the case for other types of machines which employ

stiffer supports. The values used are generally the same for all machines of similar design and would not

normally be related to the steady-state baseline value used for setting ALARMS.

There can be differences for machines of different design and it is not possible to give more precise guidelines

for absolute TRIP limits. In general, the TRIP limit is within zone C or D, but it is recommended that it not

exceed 1,25 times the zone boundary C/D. However, experience with a specific machine may prescribe a

different limit.
© ISO 2009 – All rights reserved 7
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ISO 10816-4:2009(E)

Gas turbine sets are often controlled by an automatic control system which shuts down the machine if the

TRIP vibration limits are exceeded. In order to avoid unnecessary trips due to spurious signals, it is common

practice to adopt a control logic using multiple transducers and to define a time delay before any automatic

action is initiated to shut down the machine automatically. Therefore, if a
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 10816-4
Deuxième édition
2009-10-01
Vibrations mécaniques — Évaluation des
vibrations des machines par mesurages
sur les parties non tournantes —
Partie 4:
Turbines à gaz à paliers à film fluide
Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by
measurements on non-rotating parts —
Part 4: Gas turbine sets with fluid-film bearings
Numéro de référence
ISO 10816-4:2009(F)
ISO 2009
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 10816-4:2009(F)
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ii © ISO 2009 – Tous droits réservés
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ISO 10816-4:2009(F)
Sommaire Page

Avant-propos .....................................................................................................................................................iv

Introduction........................................................................................................................................................vi

1 Domaine d'application ..........................................................................................................................1

2 Références normatives.........................................................................................................................2

3 Modes opératoires de mesurage .........................................................................................................2

4 Critères d'évaluation .............................................................................................................................5

4.1 Généralités .............................................................................................................................................5

4.2 Critère I: Amplitude des vibrations......................................................................................................6

4.3 Critère II: Variation de l'amplitude des vibrations dans des conditions de régime

permanent à une vitesse normale de fonctionnement....................................................................11

4.4 Modes opératoires/critères supplémentaires...................................................................................12

4.5 Évaluation basée sur les informations relatives aux vecteurs de vibrations ...............................12

Annexe A (normative) Limites des zones d'évaluation.................................................................................14

Annexe B (informative) Exemple de positionnement des valeurs d'ALARME et de

DÉCLENCHEMENTS............................................................................................................................15

Annexe C (informative) Notes de mise en garde relatives à l'utilisation des critères de vitesse de

vibrations aux vitesses de rotation basses......................................................................................16

Bibliographie.....................................................................................................................................................18

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ISO 10816-4:2009(F)
Avant-propos

L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de

normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée

aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du

comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non

gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec

la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.

Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,

Partie 2.

La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes

internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur

publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres

votants.

L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne

pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.

L'ISO 10816-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques, et leur

surveillance, sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les

machines, les véhicules et les structures.

Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 10816-4:1998), qui a fait l'objet d'une

révision technique. Les principales modifications sont:

⎯ la clarification du fait que le document ne s'applique qu'aux ensembles de turbines à gaz avec paliers à

film fluide;

⎯ l'insistance sur le fait que les spécifications d'acceptation fassent toujours l'objet d'un accord entre le

fournisseur et l'acheteur de l'ensemble de turbines à gaz avant installation;

⎯ l'ajout de dispositions pour évaluer les vibrations des ensembles de turbines à gaz couplées durant un

fonctionnement transitoire;

⎯ l'introduction d'une nouvelle annexe fournissant des notes relatives aux précautions d'utilisation des

critères de vitesse constante des vibrations aux basses fréquences;

⎯ un meilleur alignement entre la présente partie de l'ISO 10816 et l'ISO 7919-2, l'ISO 7919-4 et

l'ISO 10816-2.

L'ISO 10816 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Vibrations mécaniques —

Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les parties non tournantes:

⎯ Partie 1: Lignes directrices générales

⎯ Partie 2: Turbines à vapeur et alternateurs pour applications terrestres, excédant 50 MW avec des

vitesses normales de fonctionnement de 1 500 r/min, 1 800 r/min, 3 000 r/min et 3 600 r/min

⎯ Partie 3: Machines industrielles de puissance nominale supérieure à 15 kW et de vitesse nominale de

fonctionnement entre 120 r/min et 15 000 r/min, lorsqu'elles sont mesurées in situ

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ISO 10816-4:2009(F)
⎯ Partie 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide

⎯ Partie 5: Groupes générateurs de puissance et installations de pompage hydrauliques

⎯ Partie 6: Machines alternatives de puissance nominale supérieure à 100 kW

⎯ Partie 7: Pompes rotodynamiques pour applications industrielles, y compris mesurages sur les arbres

tournants
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ISO 10816-4:2009(F)
Introduction

L'ISO 10816-1 est la partie de référence de l'ISO 10816 qui fournit les exigences générales pour l'évaluation des

vibrations de divers types de machines lorsque les mesurages des vibrations sont effectués sur des parties non

tournantes. La présente partie de l'ISO 10816 donne des dispositions spécifiques concernant l'évaluation de la

sévérité vibratoire mesurée sur les corps ou supports de paliers d'ensembles de turbines à gaz. Les mesurages

effectués à ces endroits reflètent l'état vibratoire de manière raisonnablement acceptable. Les critères

d'évaluation présentés, fondés sur l'expérience passée, peuvent être utilisés pour l'évaluation du régime

vibratoire des machines de ce type.

Deux critères sont fournis pour évaluer les vibrations des machines lorsqu'elles fonctionnent dans des

conditions de régime permanent. Le premier tient compte de l'amplitude des vibrations observées, alors que

le second tient compte des variations d'amplitude. De plus, différents critères sont fournis pour des conditions

de fonctionnement transitoire. Cependant, les vibrations sur les parties non tournantes ne constituent pas

l'unique référence d'évaluation de la sévérité vibratoire. Pour les ensembles de turbines à gaz, il est

également courant d'évaluer les vibrations en fonction des mesurages effectués sur les arbres tournants. Pour

des exigences sur ces mesurages des vibrations, voir l'ISO 7919-1 et l'ISO 7919-4.

Les modes opératoires d'évaluation présentés dans la présente partie de l'ISO 10816 sont basés sur des

mesurages en bande large. Cependant, grâce aux progrès de la technologie, l'utilisation de mesurages en

bande étroite ou de l'analyse spectrale est de plus en plus répandue, en particulier pour l'évaluation des

vibrations, pour la surveillance et aux fins de diagnostics. Les spécifications de critères relatifs à ces mesurages

ne relèvent pas du domaine d'application de la présente partie de l'ISO 10816. Ceux-ci sont traités plus en détail

dans l'ISO 13373 (toutes les parties), qui fournit des dispositions pour la surveillance de l'état vibratoire des

machines.
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NORME INTERNATIONALE ISO 10816-4:2009(F)
Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des
machines par mesurages sur les parties non tournantes —
Partie 4:
Turbines à gaz à paliers à film fluide
1 Domaine d'application

La présente partie de l'ISO 10816 établit des dispositions pour évaluer la sévérité in situ des vibrations en bande

large mesurées radialement (c'est-à-dire transversalement) par rapport à l'axe de l'arbre sur tous les corps ou

supports de paliers principaux et dans la direction axiale sur les paliers de butée. Il s'agit:

⎯ des vibrations dans des conditions normales de fonctionnement en régime permanent;

⎯ des vibrations dans d'autres conditions (en régime non permanent), lorsque des fluctuations transitoires

interviennent, notamment pendant la montée en vitesse ou le ralentissement, le chargement initial et les

variations de charge;

⎯ des changements de vibrations susceptibles de se produire durant un fonctionnement normal en régime

permanent.

La présente partie de l'ISO 10816 est applicable aux ensembles de turbines à gaz en service intensif utilisées

dans des applications à commande électrique et mécanique, avec paliers à film fluide, des puissances

développées supérieures à 3 MW et une gamme de vitesses de fonctionnement en charge comprises entre

3 000 r/min et 30 000 r/min. Cela comprend les turbines à gaz couplées à d'autres machines tournantes, soit

directement, soit par l'intermédiaire d'un train d'engrenages. Dans certains cas, la présente partie de

l'ISO 10816 n'est pas applicable à l'évaluation des vibrations du matériel couplé (voir ci-dessous la liste des

exclusions).

EXEMPLE Pour des unités de puissance à cycle combiné à un arbre dans lesquelles une turbine à gaz est couplée

à une turbine à vapeur et/ou à une génératrice, l'évaluation des vibrations de la turbine à gaz s'effectue conformément à la

présente partie de l'ISO 10816, mais celle de la turbine à vapeur et de la génératrice s'effectue conformément à

l'ISO 10816-2 ou l'ISO 10816-3.
La présente partie de l'ISO 10816 n'est pas applicable aux éléments suivants:

a) turbines à gaz aérodérivatives (y compris les turbines à gaz avec des propriétés dynamiques similaires à

celles des turbines à gaz aérodérivatives);

NOTE L'ISO 3977-3 définit les aérodérivatives comme étant des générateurs de gaz de propulsion d'aéronefs

adaptés à commander un matériel de propulsion mécanique, électrique ou pour la marine. II existe de grandes

différences entre les turbines à gaz en service intensif et aérodérivatives en ce qui concerne, par exemple, la

souplesse du carter, la conception des paliers, le rapport de masse entre rotor et stator et la structure de montage.

En conséquence, des critères différents s'appliquent pour ces deux types de turbines.

b) turbines à gaz avec des puissances développées inférieures ou égales à 3 MW (voir l'ISO 10816-3);

c) pompes entraînées par des turbines à gaz (voir l'ISO 10816-3);

d) turboalternateurs et/ou alternateurs avec des puissances développées inférieures ou égales à 50 MW

(voir l'ISO 10816-3);
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ISO 10816-4:2009(F)

e) turboalternateurs et/ou alternateurs avec des puissances développées supérieures à 50 MW (voir

l'ISO 10816-2);

f) embrayages de synchronisation couplant la turbine à gaz à une turbine à vapeur ou à une génératrice

(voir l'ISO 10816-2);
g) compresseurs couplés (voir l'ISO 10816-3);
h) vibrations des trains d'engrenages (voir cet article);
i) vibrations des paliers à roulements.

La présente partie de l'ISO 10816 est applicable aux autres matériels entraînés non inclus dans la liste des

exclusions.

La présente partie de l'ISO 10816 est applicable aux machines pouvant être couplées à un train d'engrenages,

mais ne traite pas de l'évaluation des conditions vibratoires de ces engrenages. Des techniques spécialisées

sont nécessaires pour évaluer les conditions vibratoires des engrenages qui sont en dehors du domaine

d'application de la présente partie de l'ISO 10816.

Les valeurs numériques spécifiées ne constituent pas l'unique référence d'évaluation de la sévérité vibratoire.

Pour les ensembles des turbines à gaz, il est également courant d'évaluer les vibrations en fonction des

mesurages effectués sur les parties non tournantes. Pour des exigences sur ces mesurages des vibrations,

voir l'ISO 7919-1 et l'ISO 7919-4.
2 Références normatives

Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les

références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du

document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).

ISO 7919-4, Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les arbres

tournants — Partie 4: Turbines à gaz à paliers à film fluide

ISO 10816-1:1995, Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les

parties non tournantes — Partie 1: Lignes directrices générales
3 Modes opératoires de mesurage

Les modes opératoires et les instruments de mesurage ci-après doivent être conformes aux exigences

générales de l'ISO 10816-1 et sont comme suit.

Pour la surveillance, le système de mesurage doit pouvoir mesurer les vibrations en bande large sur une plage

de fréquences allant de 10 Hz jusqu'à au moins 500 Hz ou six fois la vitesse normale de fonctionnement

maximale, en prenant la valeur la plus élevée. Toutefois, si les instruments servent également au diagnostic,

une gamme de fréquences plus étendue et/ou une analyse spectrale peuvent être nécessaires. Par exemple,

dans le cas où la fréquence correspondant à la première vitesse critique de la turbine à gaz est inférieure à

10 Hz, la limite inférieure de la plage linéaire du système de mesurage doit être abaissée en conséquence.

Dans certains cas particuliers où des vibrations significatives à basse fréquence peuvent être transmises à la

machine, par exemple dans les zones sismiques, il peut être nécessaire de filtrer la réponse basse fréquence

des instruments et/ou d'introduire un retard approprié. Si les valeurs résultant des mesurages effectués sur

des machines différentes sont comparées, il convient de s'assurer que la même gamme de fréquences a été

utilisée.
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ISO 10816-4:2009(F)

Il convient d'effectuer le mesurage des vibrations aux endroits offrant une sensibilité suffisante aux forces

dynamiques de la machine. Il convient de s'assurer que le matériel de mesurage ne subit pas l'influence

néfaste de sources externes, telles que la vibration de la combustion, la vibration des engrenages, les bruits

aériens et les bruits solidiens. Cela nécessite généralement un mesurage dans deux directions radiales sur

chaque chapeau ou support de palier principal avec une paire de transducteurs orthogonaux, comme illustré

aux Figures 1 et 2. Les transducteurs peuvent être placés dans n'importe quelle position angulaire sur les

corps ou supports de paliers, mais il est d'usage de les placer en positions horizontale et verticale.

On peut utiliser un transducteur radial unique sur un chapeau ou support de palier au lieu de la paire plus

typique de transducteurs orthogonaux, si l'on sait qu'il donne des renseignements suffisants sur l'amplitude

des vibrations de la machine. Toutefois, en général, il convient de prendre des précautions lorsqu'on évalue

les vibrations avec un seul transducteur au niveau d'un plan de mesurage, puisque le transducteur risque de

ne pas être orienté de manière à donner une approximation suffisante de la valeur maximale au niveau de ce

plan.

Il n'est pas d'usage de mesurer les vibrations axiales sur les paliers principaux portant la charge radiale des

turbines à gaz et des alternateurs lors d'une surveillance continue du fonctionnement. Ces mesurages sont

principalement utilisés pour les contrôles périodiques de vibrations ou à des fins de diagnostic. De ce fait, dans

la présente partie de l'ISO 10816, les critères de vibrations axiales ne sont indiqués que pour les paliers de

butée pour lesquels la sévérité vibratoire peut être déterminée selon les mêmes critères que pour les vibrations

radiales (voir le Tableau A.1). Pour les autres paliers pour lesquels il n'y a pas de contrainte axiale, une

exigence moins stricte peut être autorisée pour évaluer les vibrations axiales.
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NOTE Les critères d'évaluation de la présente partie de l'ISO 10816 s'appliquent aux vibrations radiales de tous les

paliers et aux vibrations axiales des paliers de butée.
Direction de mesurage.

Figure 1 — Points et directions de mesurage types sur chapeau ou support de palier

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NOTE Les critères d'évaluation de la présente partie de l'ISO 10816 s'appliquent aux vibrations radiales de tous les

paliers et aux vibrations axiales des paliers de butée.
Direction de mesurage.
Figure 2 — Points et directions de mesurage types sur palier de turbine à gaz

Il convient de connaître les caractéristiques du système de mesurage en ce qui concerne les effets de

l'environnement; elles comprennent:
a) les écarts de température;
b) les champs magnétiques;
c) les bruits aériens et les bruits solidiens;
d) les variations de la source d'énergie;
e) l'impédance des câbles;
f) la longueur de câble du transducteur;
g) l'orientation du transducteur;
h) la rigidité de la fixation du transducteur.

Il convient d'accorder une attention particulière au fait que les transducteurs de détection de vibrations soient

correctement montés et que l'agencement de montage n'altère pas la précision du mesurage (voir par

exemple l'ISO 2954 et l'ISO 5348).
4 Critères d'évaluation
4.1 Généralités

L'ISO 10816-1 donne une description générale des deux critères d'évaluation utilisés pour évaluer les

vibrations des arbres sur diverses catégories de machines. Le premier critère tient compte de l'amplitude des

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vibrations en bande large observées, le second tient compte des modifications d'amplitude, qu'il s'agisse

d'augmentations ou de diminutions.

L'amplitude maximale des vibrations mesurées constitue ce qu'on appelle la sévérité vibratoire. Les valeurs ici

définies résultent de l'expérience avec des machines de ce type et, lorsque celles-ci sont convenablement

entretenues, elles permettent un fonctionnement acceptable.

NOTE Ces valeurs sont basées sur des Normes internationales antérieures, sur les résultats d'une étude qui a été

effectuée lorsque l'ISO 7919 (toutes les parties) et l'ISO 10816 (toutes les parties) on été initialement élaborées, et sur le

retour des experts de l'ISO/TC 108.

Des critères sont présentés pour les conditions de fonctionnement en régime permanent à la vitesse ou aux

vitesses normales de fonctionnement et aux plages de charges spécifiées, incluant les variations lentes

normales de la puissance développée. D'autres critères sont également présentés pour d'autres conditions en

régime non permanent lorsque des fluctuations transitoires se produisent. Les critères de vibrations

représentent des valeurs cibles fournissant des dispositions pour éviter des insuffisances graves ou des

exigences irréalistes. Ils servent de base pour définir les spécifications d'acceptation (voir 4.2.2.3).

Les critères concernent les vibrations produites par l'ensemble de turbines à gaz, et non les vibrations

transmises depuis l'extérieur à l'ensemble de machines. Si l'on soupçonne une influence significative due aux

vibrations transmises (soit en régime permanent, soit intermittent), il convient d'effectuer des mesurages

lorsque l'ensemble de turbines à gaz est à l'arrêt. Si l'amplitude des vibrations transmises est inacceptable, il

convient de prendre des mesures pour remédier à cette situation.

Il convient de noter qu'une évaluation globale de l'état vibratoire d'une machine repose souvent sur des

mesurages effectués sur les parties non tournantes et sur les arbres tournants.
4.2 Critère I: Amplitude des vibrations
4.2.1 Généralités

Ce critère porte sur la définition des valeurs de l'amplitude absolue des vibrations cohérentes avec des forces

dynamiques acceptables des paliers et avec une transmission acceptable des vibrations au support et aux

fondations.

4.2.2 Amplitude des vibrations à des vitesses normales de fonctionnement dans des conditions de

fonctionnement en régime permanent
4.2.2.1 Généralités

L'amplitude maximale des vibrations des arbres, observée au droit de chaque palier ou support, est évaluée par

rapport à quatre zones d'évaluation établies par expérience au niveau international.

4.2.2.2 Zones d'évaluation

Les zones d'évaluation suivantes sont définies pour permettre d'effectuer une évaluation des vibrations des

arbres d'une machine donnée dans des conditions de régime permanent à une ou à des vitesses normales de

fonctionnement et pour donner des lignes directrices quant aux éventuelles mesures à prendre.

Zone A: Les vibrations des machines nouvellement mises en service appartiennent normalement à cette zone.

Zone B: Les machines dont les vibrations appartiennent à cette zone sont normalement considérées comme

acceptables pour un fonctionnement de longue durée sans la moindre restriction.

Zone C: Les machines dont les vibrations appartiennent à cette zone sont normalement considérées non

satisfaisantes pour un fonctionnement continu de longue durée. D'une manière générale, la machine peut être

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exploitée pendant une période limitée dans ces conditions dans l'attente d'une occasion permettant de prendre

des mesures correctives.

Zone D: Les valeurs de vibrations appartenant à cette zone sont normalement considérées comme

suffisamment importantes pour endommager la machine.
NOTE Pour le fonctionnement en régime transitoire, voir 4.2.4.
4.2.2.3 Critères d'acceptation

Les critères d'acceptation doivent toujours faire l'objet d'un accord entre le fournisseur de la machine et

l'acheteur, avant l'installation. Les zones d'évaluation servent de référence pour définir les critères

d'acceptation pour des machines nouvelles ou réparées.

NOTE Historiquement, pour les machines nouvelles, les critères d'acceptation ont été spécifiés dans la zone A ou la

zone B, mais ne devraient normalement pas dépasser 1,25 fois la limite de la zone A/B.

4.2.2.4 Limites des zones d'évaluation

Les valeurs des limites de zones sont données dans le Tableau A.1. Ces valeurs s'appliquent aux mesurages

des vibrations radiales sur tous les paliers et aux mesurages des vibrations axiales sur les paliers de butée,

lorsque les mesurages sont effectués dans des conditions de régime permanent à la vitesse ou aux vitesses

normales de fonctionnement. Les valeurs numériques assignées aux limites de zone ont été établies à partir

des données représentatives fournies par les fabricants et les utilisateurs. Il se produit inévitablement une

dispersion significative des données. Néanmoins, les valeurs données dans le Tableau A.1 fournissent des

dispositions pour éviter des insuffisances graves ou des exigences irréalistes.

Des vibrations plus importantes sont autorisées aux autres positions de mesurage et au cours de conditions

transitoires (voir 4.2.4).

Dans la plupart des cas, les valeurs données dans le Tableau A.1 permettent de garantir que les charges

dynamiques transmises à la structure de support de paliers et à la fondation sont acceptables. Toutefois, dans

certains cas, des caractéristiques particulières ou l'expérience acquise associées à un type de machine

spécifique peuvent nécessiter l'utilisation d'autres valeurs plus ou moins élevées pour les limites de zones. Ce

qui suit constitue des exemples.

a) Les vibrations de la machine peuvent être influencées par son système de montage et son installation de

couplage entre les rotors. Des vibrations du palier plus élevées peuvent donc être autorisées pour des

supports de paliers souples lorsque les vibrations relatives de l'arbre dans la direction de mesurage sont

faibles, indiquant que les forces dynamiques transmises à la structure de support sont également faibles.

Il peut alors être acceptable, sur la base d'un diagramme de fonctionnement satisfaisant et éprouvé,

d'augmenter les valeurs des limites de zone données dans le Tableau A.1.

b) Pour des paliers relativement peu chargés, ou d'autres paliers plus souples, d'autres critères fondés sur

la structure détaillée de la machine peuvent être utilisés.

NOTE 1 Différentes valeurs peuvent s'appliquer aux mesurages effectués sur différents paliers de la même ligne

rotorique.

En règle générale, lorsque l'on utilise des valeurs de limites de zone supérieures, il peut se révéler nécessaire

de faire appel à une justification technique permettant de confirmer que la fiabilité de la machine n'est pas

compromise du fait d'un fonctionnement avec des amplitudes de vibrations plus élevées. Cela peut reposer, par

exemple, sur les caractéristiques détaillées de la machine ou sur une expérience de fonctionnement

satisfaisante avec des machines de conception et de support structuraux similaires.

NOTE 2 La présente partie de l'ISO 10816 ne fournit aucune valeur de zone d'évaluation différente pour les ensembles

de turbines à gaz montés sur des fondations rigides et des fondations souples. Cela est en accord avec l'ISO 7919-4,

traitant des mesurages des vibrations des arbres pour la même catégorie de machines. Toutefois, la présente partie de

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ISO 10816-4:2009(F)

l'ISO 10816, tout comme l'ISO 7919-4, pourront être révisées dans le futur de manière à donner des critères différents eu

égard à la souplesse du support si une analyse additionnelle des données d'étude est justifiée pour de telles machines.

Le paramètre de mesurage commun pour l'évaluation de la sévérité vibratoire des machines est la vitesse. Le

Tableau A.1 donne les limites des zones d'évaluation en fonction des mesurages de la vitesse efficace en

bande large. Dans bien des cas, toutefois, il était courant de mesurer les vibrations avec des instruments

gradués pour donner des vitesses de crête plutôt que des valeurs efficaces de vitesses de vibrations. Si les

vibrations se composent principalement d'une seule composante de fréquence (par exemple, pour les

ensembles de turbines à gaz, les vibrations se trouvent habituellement à la fréquence de fonctionnement d

...

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