ISO 10816-21:2015
(Main)Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts — Part 21: Horizontal axis wind turbines with gearbox
Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts — Part 21: Horizontal axis wind turbines with gearbox
ISO 10816-21:2015 specifies the measurement and evaluation of mechanical vibration of wind turbines and their components by taking measurements on non-rotating parts. It applies to horizontal axis wind turbines with mechanical gearbox and rated generator output exceeding 200 kW and the following design and operational characteristics: a) installation on supporting systems (tower and foundation) made of steel and/or concrete; b) horizontal axis rotor with several rotor blades; c) rotor bearing separate from or integrated into the gearbox; d) generators driven via gearbox; e) generators of the synchronous or asynchronous type (mostly equipped with 4-pole generator); f) generators with only a fixed pole number or which are pole-changeable for speed adjustment; g) output control by rotor blades (pitch or stall wind turbines); h) generator coupled to the power grid via converter or directly.
Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des machines par mesurages sur les parties non tournantes — Partie 21: Turbines éoliennes à axe horizontal avec multiplicateur
L'ISO 10816-21:2015 spécifie le mesurage et l'évaluation des vibrations mécaniques des turbines éoliennes et de leurs composants en réalisant des mesurages sur les parties non tournantes. Elle s'applique aux turbines éoliennes à axe horizontal équipées d'un multiplicateur mécanique et d'un alternateur ayant une puissance nominale de 200 kW, et présentant les caractéristiques de conception et de fonctionnement suivantes: a) installation sur des systèmes de support (mât et fondation) en acier et/ou béton; b) rotor à axe horizontal avec plusieurs pales de rotor; c) palier de rotor séparé ou intégré dans le multiplicateur; d) alternateurs entraînés par l'intermédiaire d'un multiplicateur; e) alternateurs de type synchrone ou asynchrone (le plus souvent équipés d'un alternateur quadripolaire); f) alternateurs ayant seulement un nombre fixe de pôles ou alternateurs à pôles variables pour le réglage de la vitesse; g) contrôle de la puissance par réglage des pales du rotor (turbines éoliennes à pas variable ou à pas fixe); h) alternateur couplé au réseau électrique directement ou par l'intermédiaire d'un convertisseur.
General Information
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 10816-21
First edition
2015-05-01
Mechanical vibration — Evaluation of
machine vibration by measurements
on non-rotating parts —
Part 21:
Horizontal axis wind turbines with
gearbox
Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des machines par
mesurages sur les parties non tournantes —
Partie 21: Turbines éoliennes à axe horizontal avec multiplicateur
Reference number
ISO 10816-21:2015(E)
©
ISO 2015
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 10816-21:2015(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2015, Published in Switzerland
All rights reserved. Unless otherwise specified, 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
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2015 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 10816-21:2015(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 2
3 Terms and definitions . 2
4 Basic principles . 2
4.1 Measurement and characteristic quantities . 2
4.2 Averaging methods and evaluation quantities for wind turbine vibration . 3
4.3 Evaluation period . 3
5 Instructions on measurement and interpretation . 4
5.1 General . 4
5.2 Nacelle and tower . 4
5.3 Rotor bearing . . 5
5.4 Gearbox . 5
5.5 Generator . 6
5.6 Requirements for the measurement equipment . 6
5.7 Mounting and connection of the vibration transducers . 7
5.8 Operating conditions during measurements . 7
6 Evaluation criteria . 8
6.1 General . 8
6.2 Evaluation zones . 8
6.3 Change in vibration magnitude . 9
7 Evaluation zone boundaries . 9
8 Setting of operational limits . 9
8.1 General . 9
8.2 ALERT limits.10
8.3 ALARM limits .10
8.4 TRIP limits .10
9 Information on vibration monitoring .10
9.1 Monitoring broad-band vibration .10
9.2 Condition monitoring .10
Annex A (informative) Evaluation zone boundaries .12
Annex B (informative) Schematic diagrams of two typical wind turbine designs with gearbox .13
Bibliography .15
© ISO 2015 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 10816-21:2015(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.
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 meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary Information
The committee responsible for this document is 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.
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
— Part 8: Reciprocating compressor systems
— Part 21: Horizontal axis wind turbines with gearbox
A part 22 on horizontal axis wind turbines without gearbox is planned.
iv © ISO 2015 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 10816-21:2015(E)
Introduction
Previous International Standards available for evaluating the vibration of structures and machines
cannot be applied to wind turbines due to the special nature of their construction and operation. The
vibration of the tower and nacelle of a wind turbine caused by the effects of wind, flow disturbances due
to the tower (tower dam effect), the natural vibration of the rotor blades and structure itself (tower and
foundation), and additionally, e.g. sea swell in the case of offshore wind turbines, differs from that of
other industrial structures with respect to the time behaviour and spectra of the vibration.
ISO 10816-1, dealing with the measurement and evaluation of machine vibration, could be called on for
the components of wind turbines (rotor bearing, gearbox, and generator). It is the basis of a number of
other International Standards, including ISO 10816-3, for industrial machines of all kinds. Wind turbines
are, however, expressly excluded from the scope of ISO 10816-3.
The criteria laid down in the other parts of ISO 10816 would, in principle, be applicable to wind turbine
components. However, these criteria apply only to vibration generated within the machine set itself, and
thus, affect its components directly. The criteria are also valid for evaluating the vibration emission (i.e.
emission into the environment of a machine set), but they cannot be applied to vibration transmitted
to the machines from external sources (i.e. vibration immission, structure-borne noise). With wind
turbines, these are the effects of vibration of the tower or nacelle which are excited by wind and, in the
case of offshore wind turbines, additionally by sea swell. Due to the extreme flexibility of blades and
tower and the low rotor rotational speeds, it is necessary to include the low-frequency vibration in the
measurement and evaluation.
The necessity to measure and evaluate the low-frequency vibration of the components in response
to periodic and stochastic excitation sources requires modified evaluation quantities in contrast to
ISO 10816-3 and this is complicated by the effects of wind and waves on the wind turbine structure
which leads to high-amplitude, low-frequency vibration.
Due to the great influence of the vibration magnitude of a wind turbine on the stress of all components
and thus on their operational reliability and service life, there is great interest of stakeholders involved
in the manufacture, ownership operation, service, maintenance, and financing of wind turbines in having
a recognized standard which provides criteria and recommendations regarding the measurement and
evaluation of the mechanical vibration of wind turbines and their components. This is the central task
of this part of ISO 10816 and a subsequent part 22 which is planned.
The aim of this part of ISO 10816 is to standardize measurements, to assist in their evaluation and to make
possible a comparative evaluation of the vibration measured in wind turbines and their components.
In the event of evaluation zone boundaries being exceeded, the results of such measurements should
enable conclusions to be drawn regarding possible threats to the corresponding components of the
wind turbine or to the installation as a whole, but without identifying the corresponding causes in any
detail. If evaluation zone boundaries are not exceeded, the running behaviour can well be normal, but
this does not rule out the possibility of individual instances of damage. Evaluation zone boundary values
are not intended to be used as acceptance values. These need to be agreed on between the manufacturer
and the user.
The working principle of wind turbines covered by this part of ISO 10816 is based on a rotating rotor
with a horizontal rotational axis. The rotor consists of a rotor hub with rotor blades which are either
mounted immovably or which can be turned on their longitudinal axis. The rotor hub is connected
to the drive train of the wind turbine. The mechanical energy is converted into electrical energy by a
generator which is driven via a gearbox or directly. As a rule, these energy conversion components are
accommodated in a machinery housing which is referred to as the nacelle. The nacelle is mounted on
bearings which allow it to rotate on the tower while the tower itself stands on its own foundation.
The rotor blades, and thus the rotor, are exposed not only to asymmetrically incoming air flow, but
also to stochastic wind speed fluctuations. Asymmetric incoming flows are, for example, the result of
wind turbulence, gusts, off-axis flow into the rotor, as well as different wind speeds distributed over
the rotor surface. In addition to aerodynamic loads, the wind turbine is also affected by inertial forces
and by loads resulting from different operating situations. Superimposition of the external conditions
© ISO 2015 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 10816-21:2015(E)
on the operating conditions such as power output and rotational speed, taking into consideration the
constructive design of the wind turbine or its individual components, results in alternating loading on
the entire wind turbine with its rotor, drive train, tower and foundation, and thus leads to vibration
excitation at the individual components.
Drive trains consist of assemblies which are different in their type of design and their particular shafts.
Therefore, they can excite vibration which is dependent or independent of rotational speed. Depending
on the manufacturer and design, a different vibratory behaviour is shown by the generators, gearboxes
and clutches, not only as individual assemblies, but also in interaction with, and depending on the type of
wind turbine installation. Depending on the exciter and excitation range, the occurring vibration can, for
example, result from poor alignment and lead to gear-tooth engagement shocks in the gearbox. Furthermore,
resonance vibration can occur in the drive train. For these reasons, it is imperative in all cases to take the
entire wind turbine into consideration, i.e. the drive train with rotor blades, nacelle, and tower.
On account of the great influence which the type of mechanical drive train can have on the vibration
magnitude of all wind turbine components, it is necessary to divide the wind turbines into two groups:
— Group 1: horizontal axis wind turbine installations with generators coupled to the rotor via a gearbox;
— Group 2: horizontal axis wind turbine installations with generators coupled to the rotor without
a gearbox (direct drive).
This part of ISO 10816 applies to group 1 wind turbines. A part 22 for group 2 wind turbines is planned
and a limited amount of measured data is already available.
vi © ISO 2015 – All rights reserved
---------------------- Page: 6 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 10816-21:2015(E)
Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration
by measurements on non-rotating parts —
Part 21:
Horizontal axis wind turbines with gearbox
1 Scope
This part of ISO 10816 specifies the measurement and evaluation of mechanical vibration of wind
turbines and their components by taking measurements on non-rotating parts. It applies to horizontal
axis wind turbines with mechanical gearbox and rated generator output exceeding 200 kW and the
following design and operational characteristics:
a) installation on supporting systems (tower and foundation) made of steel and/or concrete;
b) horizontal axis rotor with several rotor blades;
c) rotor bearing separate from or integrated into the gearbox;
d) generators driven via gearbox;
e) generators of the synchronous or asynchronous type (mostly equipped with 4-pole generator);
f) generators with only a fixed pole number or which are pole-changeable for speed adjustment;
g) output control by rotor blades (pitch or stall wind turbines);
h) generator coupled to the power grid via converter or directly.
This part of ISO 10816 recommends zones for evaluating the vibration at continuous load operation.
However, in most cases, these evaluation zone boundaries might not be suitable for the early detection
of faults. This part of ISO 10816 does not specify vibration values for the zone boundaries because there
are insufficient data available for the complete range of wind turbines in the worldwide fleet covered
by this part of ISO 10816. However, for information only, Annex A presents evaluation zone boundaries
for onshore wind turbines. These zone boundaries are based on vibration data from about 1 000 wind
turbines with rated generator output up to 3 MW. They can be helpful in facilitating discussion between
users and manufacturers. Evaluation zone boundaries for offshore wind turbines are not yet available.
Although the type and implementation of broad-band vibration monitoring for wind turbines is
addressed, this part of ISO 10816 does not apply to diagnostics or fault detection by condition monitoring
of wind turbines.
NOTE 1 Information on condition monitoring and diagnostics of wind turbines will be given in ISO 16079
1)
(all parts) .
The evaluation of the balance quality of the slowly turning wind turbine rotor, which requires special
measurements and analysis, is not covered by this part of ISO 10816.
This part of ISO 10816 does not apply to the evaluation of torsional vibration in the drive train. Although
coupled lateral and torsional vibration of tower and drive train can affect the amplitudes of the defined
vibration characteristics, diagnosis of this kind of vibration source is not feasible by the described
measurement methods described in this part of ISO 10816. For general design verification purposes and
1) To be published.
© ISO 2015 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 10816-21:2015(E)
for specific fault diagnosis, special measurements are required which are beyond the scope of this part
of ISO 10816.
NOTE 2 IEC/TS 61400–13 describes load measurement by use of strain gauges on the supporting structure and
blades. Techniques to assist the detection of rolling element bearing and gearbox defects can be found in ISO 13373-2.
Measurement and evaluation of structure-borne noise with rolling element bearings are given in VDI 3832.
This part of ISO 10816 does not also apply to acceptance measurements on gearboxes and generators in
the manufacturer’s test facility.
NOTE 3 These are assessed on the basis of appropriate standards namely ISO 8579-2 and IEC 60034–14.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 2041, Mechanical vibration, shock and condition monitoring — Vocabulary
ISO 2954, Mechanical vibration of rotating and reciprocating machinery — Requirements for instruments
for measuring vibration severity
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2041 and the following apply.
NOTE Special terms related to wind turbines are defined in IEC 60050–415. In this part of ISO 10816, for
convenience, a wind turbine generator system (WTGS) is called simply a wind turbine (WT).
3.1
assessment acceleration
a
w0
broad-band r.m.s. value of acceleration in a given frequency band measured over a certain period of time
3.2
assessment velocity
v
w0
broad-band r.m.s. value of vibration velocity in a given frequency band measured over a certain
period of time
4 Basic principles
4.1 Measurement and characteristic quantities
Characteristic quantities are formed by means of prescribed procedures from the raw measured
signal (measured quantity). Measurements should be carried out at prescribed measuring positions, in
specified measuring directions and under defined operating conditions. Exact measurement positions
and directions may deviate from the recommendations provided in this part of ISO 10816 due to design
of the housings or other access issues. Wind turbine manufacturers should provide transducer mounting
positions appropriate to the aims of this part of ISO 10816. Procedures include the necessary signal
processing, filtering, and averaging, as well as the formation of characteristic values or characteristic
functions, and finally, displaying the results. This process is also referred to as the formation of
characteristic quantities.
General information is provided in ISO 10816-1 and VDI 3839 part 1 regarding the measured and
characteristic quantities used in this part of ISO 10816 as well as the procedures and instruments
normally used for measuring and analysing machine vibration.
2 © ISO 2015 – All rights reserved
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 10816-21:2015(E)
For the evaluation of the effects of vibration on wind turbines and their components, the machine
vibration evaluation procedures mentioned in other standards or guidelines need to be supplemented
to enable formation of the characteristic quantities.
4.2 Averaging methods and evaluation quantities for wind turbine vibration
The operating conditions applicable to wind turbines such as the continual changes in the strength
and direction of the wind result in continually changing vibration excitations and, as a consequence
of this, short-term changes in measured values with sudden variations in magnitude which are often
considerable. Only seldom do such stable conditions occur for extended periods as are specified in the
different parts of ISO 10816 for the evaluation of the vibration state.
For this reason, with wind turbines, it is absolutely essential when forming the characteristic quantities
to average the measured values over specified time periods so as to compensate for any fluctuations.
Before any comparison can be made against the evaluation zone boundaries (see Annex A), the values
shall be based on comparably averaged data.
The averaging method chosen for wind turbines should be energy-equivalent averaging. Here, for
example, from the measured acceleration in the time domain, an assessment acceleration a is defined
w0
being a broad-band r.m.s. value. It characterizes the total loading over an evaluation period (which
needs to be defined; see 4.3) and is obtained from the energy-equivalent mean value of the measured
acceleration in a given frequency band in accordance with Formula (1):
T
0
1
2
a = at()dt (1)
w0 w
∫
T
0
0
where
a (t) is the acceleration in a given frequency band measured as a function of time;
w
T is the evaluation period (see 4.3).
0
The frequency bands are specified in Clause 5. However, other frequency bands based on experience
may be appropriate.
The assessment vibration velocity v can be calculated in a similar way.
w0
The evaluation of the vibration state is not only based on the assessment acceleration, but also on the
assessment velocity.
NOTE The method described in this part of ISO 10816 for averaging the measured acceleration corresponds
to that described in ISO 2631-1 when, for example, the long-term effect of vibration needs to be evaluated. The
averaging method is formally the same as that described in ISO 8041 for obtaining the time-averaged r.m.s. value
when the evaluation period T is used for the time interval T defined there.
0
The evaluation period selected and the frequency bands used shall be indicated in all test records or
reports together with the evaluation quantities concerned.
4.3 Evaluation period
The evaluation period, T , depends not only on the nature and time history of the effects on the entire
0
installation and its components caused by wind, but also on the assessment quantity.
For the aerodynamically excited vibration of the nacelle, tower, and components with frequencies
between 0,1 Hz and 10 Hz, and relatively high accelerations and velocities, the evaluation period should
be set at 10 min. In this way even those vibration components with frequencies around or below 1 Hz
(i.e. at the rotational frequency of the rotor) can be reliably measured and analysed.
© ISO 2015 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 10816-21:2015(E)
At gearboxes and generators, characteristic design-related vibration with frequencies between 10 Hz
and more than 1000 Hz can occur in addition. If evaluation is only to be concerned with these higher-
frequency parts of the spectrum, shorter evaluation periods of, for example, 1 min, will suffice.
It might be necessary to subdivide the 10 min evaluation period into shorter time periods, T , which are
e
determined by the measuring device or the operating conditions. If the vibration excitations change
markedly during these time periods, this yields in each case different energy-equivalent mean values, a .
we
During any measurement interval, a record should be kept of the wind speed, load, and the variation
thereof. This may be obtained retrospectively from the control system.
The assessment acceleration, a , for the evaluation period, T , can be found from n shorter time periods,
w0 0
T , using Formula (2):
e
n
1
2
a = aT (2)
w0 ∑ wee
T
0
e=1
where
n
TT=
0 ∑ e
e=1
5 Instructions on measurement and interpretation
5.1 General
In Clause 5, the characteristic quantities, measuring positions, and measuring directions are specified
for the wind turbine as a structure and for its components.
Measurements should be taken on the bearing support housings or other structural parts which
significantly respond to the dynamic forces and characterize the overall vibration of the machine.
Typical measurement locations are shown in Figures B.1 and B.2. If the manufacturer has prepared
suitable measuring positions to attach vibration transducers, these should preferably be used.
Although triaxial measurements at every measurement position would fully define the vibration of the
machine, the full extent of measurement positions and directions may not always be necessary in order
to keep the task of routine vibration verification manageable. Based on experience, the extent of the
measurements may be reduced case by case by the parties involved.
Vibration measurement shall be made in units appropriate to the location.
In all cases, the vibration acceleration and the vibration velocity shall be evaluated. During any
measurement interval, the wind speed, load, and the variation thereof should be documented.
5.2 Nacelle and tower
5.2.1 General
The vibration of the nacelle and tower of a wind turbine caused by the effects of wind, of flow disturbances
due to the tower (to
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 10816-21
Première édition
2015-05-01
Vibrations mécaniques — Évaluation
des vibrations des machines par
mesurages sur les parties non
tournantes —
Partie 21:
Turbines éoliennes à axe horizontal
avec multiplicateur
Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by
measurements on non-rotating parts —
Part 21: Horizontal axis wind turbines with gearbox
Numéro de référence
ISO 10816-21:2015(F)
©
ISO 2015
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 10816-21:2015(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2015
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, 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, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées 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 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2015 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 10816-21:2015(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 2
3 Termes et définitions . 2
4 Principes de base . 2
4.1 Mesurage et grandeurs caractéristiques . 2
4.2 Méthodes de moyennage et grandeurs d’évaluation des vibrations d’une
turbine éolienne . 3
4.3 Période d’évaluation . 4
5 Instructions concernant le mesurage et l’interprétation . 4
5.1 Généralités . 4
5.2 Nacelle et mât . 5
5.3 Palier du rotor. 5
5.4 Multiplicateur . 6
5.5 Alternateur . 6
5.6 Exigences relatives à l’appareillage de mesure . 7
5.7 Montage et connexion des capteurs de vibrations. 8
5.8 Conditions de fonctionnement pendant les mesurages . 8
6 Critères d’évaluation . 8
6.1 Généralités . 8
6.2 Zones d’évaluation . 9
6.3 Variation d’amplitude des vibrations .10
7 Limites des zones d’évaluation .10
8 Détermination des limites de fonctionnement .10
8.1 Généralités .10
8.2 Limites d’ALERTE .10
8.3 Limites d’ALARME .11
8.4 Limites de DÉCLENCHEMENT .11
9 Informations sur la surveillance des vibrations .11
9.1 Surveillance des vibrations à large bande .11
9.2 Surveillance de l’état .12
Annexe A (informative) Limites des zones d’évaluation .13
Annexe B (informative) Schémas de deux conceptions typiques de turbine éolienne
avec multiplicateur .14
Bibliographie .16
© ISO 2015 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 10816-21:2015(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 (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/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 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’OMC concernant
les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos — Informations
supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’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.
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
— 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
— Partie 8: Systèmes de compresseurs alternatifs
— Partie 21: Turbines éoliennes à axe horizontal avec multiplicateur
Une partie 22 sur les turbines éoliennes à axe horizontal sans multiplicateur est planifiée.
iv © ISO 2015 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 10816-21:2015(F)
Introduction
Les Normes internationales antérieures disponibles pour l’évaluation des vibrations des structures et
des machines ne peuvent pas s’appliquer aux turbines éoliennes en raison de la nature particulière de
leur construction et de leur fonctionnement. Les vibrations du mât et de la nacelle d’une turbine éolienne,
provoquées par l’action du vent, des perturbations de l’écoulement dues au mât (effet de barrage du mât),
la vibration naturelle des pales du rotor et de la structure elle-même (mât et fondation) ainsi que, par
exemple, de la houle dans le cas de turbines éoliennes offshore, diffèrent de celle des autres structures
industrielles en ce qui concerne le comportement dans le temps et les spectres de vibrations.
Il est possible de faire appel à l’ISO 10816-1, traitant du mesurage et de l’évaluation des vibrations des
machines, pour les composants des turbines éoliennes (palier de rotor, multiplicateur et alternateur).
Elle sert de base à plusieurs autres Normes internationales, y compris l’ISO 10816-3, relatives aux
machines industrielles de tous types. Les turbines éoliennes sont, toutefois, expressément exclues du
domaine d’application de l’ISO 10816-3.
Les critères spécifiés dans les autres parties de l’ISO 10816 sont, en principe, applicables aux composants
des turbines éoliennes. Toutefois, ces critères s’appliquent uniquement aux vibrations générées à
l’intérieur de la machine elle-même et affectent donc ses composants directement. Les critères sont
également valables pour l’évaluation de l’émission vibratoire (c’est-à-dire l’émission dans l’environnement
d’une machine) mais ils ne peuvent pas s’appliquer aux vibrations transmises aux machines par des
sources externes (c’est-à-dire l’immission vibratoire, bruit de structure). Pour les turbines éoliennes,
il s’agit des effets des vibrations du mât ou de la nacelle, qui sont excités par le vent et, dans le cas de
turbines éoliennes offshore, en plus par la houle. En raison de l’extrême flexibilité des pales et du mât et
des faibles vitesses de rotation du rotor, il est nécessaire d’inclure les vibrations à basse fréquence dans
le mesurage et l’évaluation.
La nécessité de mesurer et d’évaluer les vibrations à basse fréquence des composants en réponse à
des sources d’excitation périodique et stochastique requiert des grandeurs d’évaluation modifiées
par rapport à l’ISO 10816-3 et cette opération est compliquée par l’action du vent et des vagues sur la
structure de la turbine éolienne qui entraîne des vibrations à basse fréquence et grande amplitude.
Étant donné la grande influence de l’amplitude des vibrations d’une turbine éolienne sur la contrainte
exercée sur tous les composants et sur leur fiabilité opérationnelle et leur durée de vie en service, il est
très intéressant pour les parties prenantes impliquées dans la fabrication, l’exploitation, l’entretien, la
maintenance et le financement des turbines éoliennes de disposer d’une norme reconnue fournissant
alors des critères et des recommandations concernant le mesurage et l’évaluation des vibrations
mécaniques des turbines éoliennes et de leurs composants. Il s’agit de la tâche principale de la présente
partie de l’ISO 10816, et de la partie 22, ultérieure, qui est planifiée.
L’objectif de la présente partie de l’ISO 10816 est de normaliser les mesurages, de faciliter leur évaluation
et de permettre une évaluation comparative des vibrations mesurées dans les turbines éoliennes et leurs
composants. En cas de dépassement des limites des zones d’évaluation, il convient que les résultats de
ces mesurages permettent de tirer des conclusions quant aux menaces éventuelles pour les composants
correspondants de la turbine éolienne ou pour l’installation dans son ensemble, mais sans identifier de
façon détaillée les causes correspondantes. Si les limites des zones d’évaluation ne sont pas dépassées,
le comportement en service peut très bien être normal, sans pour autant exclure la possibilité de cas
isolés de dommages. Les valeurs des limites des zones d’évaluation ne sont pas destinées à être utilisées
comme des valeurs de réception. Ces dernières doivent être convenues entre le fabricant et l’utilisateur.
Le principe de fonctionnement des turbines éoliennes couvertes par la présente partie de l’ISO 10816
est basé sur un rotor ayant un axe de rotation horizontal. Le rotor est constitué d’un moyeu muni de
pales qui sont montées de façon inamovible ou que l’on peut faire tourner sur leur axe longitudinal. Le
moyeu du rotor est connecté à la chaîne de transmission de la turbine éolienne. L’énergie mécanique est
transformée en énergie électrique par un alternateur entraîné directement ou par l’intermédiaire d’un
multiplicateur. En règle générale, ces composants de transformation de l’énergie sont logés dans une
enveloppe appelée nacelle. La nacelle est montée sur des paliers lui permettant de tourner sur le mât,
alors que le mât lui-même repose sur sa propre fondation.
© ISO 2015 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 10816-21:2015(F)
Les pales du rotor, et donc le rotor, sont exposés non seulement à un flux d’air entrant de façon asymétrique,
mais aussi aux fluctuations stochastiques de la vitesse du vent. Les flux entrants asymétriques sont, par
exemple, le résultat de la turbulence du vent, des rafales, d’un écoulement hors axe dans le rotor ainsi que
de différentes vitesses du vent réparties sur la surface du rotor. Outre les charges aérodynamiques, la
turbine éolienne est également affectée par des forces d’inertie et par les charges résultant des différentes
situations de fonctionnement. La superposition des conditions externes aux conditions d’exploitation,
telles que la puissance de sortie et la vitesse de rotation, en tenant compte de la conception de la turbine
éolienne ou de ses composants individuels, aboutit à une sollicitation alternée de l’ensemble de la turbine
éolienne avec son rotor, sa chaîne de transmission, son mât et sa fondation, et à une excitation vibratoire
au niveau des composants individuels.
Les chaînes de transmission (lignes d’arbres) sont constituées d’éléments qui diffèrent par leur type
de conception et d’arbres. Par conséquent, elles peuvent engendrer des vibrations qui dépendent ou
ne dépendent pas de la vitesse de rotation. Selon le fabricant et la conception, les alternateurs, les
multiplicateurs et les embrayages présentent un comportement vibratoire différent, non seulement en
tant qu’éléments individuels, mais aussi en interaction avec l’installation de la turbine éolienne et selon le
type d’installation. Selon l’excitateur et la plage d’excitation, les vibrations qui apparaissent peuvent, par
exemple, être dues à un défaut d’alignement et provoquer des à-coups de couple dans le multiplicateur.
Par ailleurs, des vibrations de résonance peuvent apparaître dans la chaîne de transmission. Pour
toutes ces raisons, il est impératif dans tous les cas de prendre en compte la turbine éolienne dans son
intégralité, c’est-à-dire la chaîne de transmission avec les pales du rotor, la nacelle et le mât.
Compte tenu de la forte influence que le type de chaîne de transmission peuvent avoir sur l’amplitude
des vibrations de tous les composants de la turbine éolienne, il est nécessaire de diviser les turbines
éoliennes en deux groupes:
— Groupe 1: installations de turbines éoliennes à axe horizontal avec alternateurs couplés au rotor par
l’intermédiaire d’un multiplicateur;
— Groupe 2: installations de turbines éoliennes à axe horizontal avec alternateurs couplés au rotor
sans multiplicateur (entraînement direct).
La présente partie de l’ISO 10816 s’applique aux turbines éoliennes du groupe 1. Une partie 22, relative aux
turbines éoliennes du groupe 2, est planifiée et une quantité limitée de données mesurées est déjà disponible.
vi © ISO 2015 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 6 ----------------------
NORME INTERNATIONALE ISO 10816-21:2015(F)
Vibrations mécaniques — Évaluation des vibrations des
machines par mesurages sur les parties non tournantes —
Partie 21:
Turbines éoliennes à axe horizontal avec multiplicateur
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 10816 spécifie le mesurage et l’évaluation des vibrations mécaniques des
turbines éoliennes et de leurs composants en réalisant des mesurages sur les parties non tournantes.
Elle s’applique aux turbines éoliennes à axe horizontal équipées d’un multiplicateur mécanique et d’un
alternateur ayant une puissance nominale de 200 kW, et présentant les caractéristiques de conception
et de fonctionnement suivantes:
a) installation sur des systèmes de support (mât et fondation) en acier et/ou béton;
b) rotor à axe horizontal avec plusieurs pales de rotor;
c) palier de rotor séparé ou intégré dans le multiplicateur;
d) alternateurs entraînés par l’intermédiaire d’un multiplicateur;
e) alternateurs de type synchrone ou asynchrone (le plus souvent équipés d’un alternateur
quadripolaire);
f) alternateurs ayant seulement un nombre fixe de pôles ou alternateurs à pôles variables pour le
réglage de la vitesse;
g) contrôle de la puissance des pales du rotor (turbines éoliennes à pas variable ou à pas fixe);
h) alternateur couplé au réseau électrique directement ou par l’intermédiaire d’un convertisseur.
La présente partie de l’ISO 18016 recommande des zones pour l’évaluation des vibrations dans des
conditions de fonctionnement à charge continue. Néanmoins, dans la plupart des cas, ces limites des
zones d’évaluation peuvent ne pas être appropriées pour une détection précoce des défauts. La présente
partie de l’ISO 10816 ne spécifie pas de valeurs de vibration pour les limites des zones car l’on ne dispose
pas de données suffisantes pour la gamme complète des turbines éoliennes utilisées dans le monde entier
et couvertes par cette partie de l’ISO 10816. Cependant, uniquement à titre d’information, les limites
des zones d’évaluation relatives aux turbines éoliennes terrestres sont présentées dans l’Annexe A. Ces
zones d’évaluation sont fondées sur les données de vibration d’environ 1 000 turbines éoliennes ayant
une puissance nominale d’alternateur inférieure ou égale à 3 MW. Elles peuvent être utiles pour faciliter
la discussion entre utilisateurs et fabricants. Les limites des zones d’évaluation des turbines éoliennes
offshore ne sont pas encore disponibles.
Bien que le type et la mise en œuvre d’une surveillance des vibrations à large bande des turbines éoliennes
soient traités, la présente partie de l’ISO 10816 ne s’applique pas au diagnostic ou à la détection des
défauts par surveillance de l’état des turbines éoliennes.
NOTE 1 Des informations sur la surveillance et le diagnostic des turbines éoliennes seront données dans
1)
l’ISO 16079 (toutes les parties) .
L’évaluation de l’équilibrage du rotor d’une turbine éolienne tournant lentement, qui nécessite des
mesurages et une analyse particuliers, n’est pas couverte par la présente partie de l’ISO 10816.
1) À publier.
© ISO 2015 – Tous droits réservés 1
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 10816-21:2015(F)
La présente partie de l’ISO 10816 ne s’applique pas à l’évaluation des vibrations de torsion dans la
chaîne de transmission. Bien que l’association de vibrations latérales et de vibrations de torsion du
mât et de la chaîne de transmission puisse affecter les amplitudes des caractéristiques de vibration
définies, le diagnostic de ce type de source de vibrations n’est pas réalisable par les méthodes de mesure
décrites dans la présente partie de l’ISO 10816. Pour la vérification générale de la conception et pour le
diagnostic de défauts spécifiques, il est nécessaire de procéder à des mesurages spéciaux ne relevant
pas du domaine d’application de la présente partie de l’ISO 10816.
NOTE 2 L’IEC/TS 61400-13 décrit le mesurage des charges à l’aide de jauges de contrainte sur la structure de
support et les pales. Des techniques facilitant la détection des défauts des paliers à roulement et du multiplicateur
sont indiquées dans l’ISO 13373-2. Le mesurage et l’évaluation du bruit solidien avec des paliers à roulement sont
indiqués dans la norme VDI 3832.
La présente partie de l’ISO 10816 ne s’applique pas aux mesurages de réception réalisés sur les
multiplicateurs et les alternateurs dans l’installation d’essai du fabricant.
NOTE 3 Ceux-ci sont évalués en se fondant sur des normes appropriées, à savoir l’ISO 8579-2 et l’IEC 60034-14.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables pour son application. 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 2041, Vibrations et chocs mécaniques, et leur surveillance — Vocabulaire
ISO 2954, Vibrations mécaniques des machines tournantes ou alternatives — Exigences relatives aux
appareils de mesure de l’intensité vibratoire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 2041 ainsi que les
suivants s’appliquent.
NOTE Les termes spéciaux relatifs aux turbines éoliennes sont définis dans l’IEC 60050-415. Pour des raisons
pratiques, dans la présente partie de l’ISO 10816, l’ensemble turbine éolienne/alternateur est simplement appelé
turbine éolienne.
3.1
accélération d’évaluation
a
w0
valeur efficace à large bande de l’accélération vibratoire dans une bande de fréquences donnée, mesurée
sur une période donnée
3.2
vitesse d’évaluation
v
w0
valeur efficace à large bande de la vitesse de vibration dans une bande de fréquences donnée, mesurée
sur une période donnée
4 Principes de base
4.1 Mesurage et grandeurs caractéristiques
Les grandeurs caractéristiques sont déterminées au moyen de procédures prescrites à partir du
signal brut mesuré (grandeur mesurée). Il convient de réaliser les mesurages aux positions de mesure
prescrites, dans les directions de mesure spécifiées et dans les conditions de fonctionnement définies.
2 © ISO 2015 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 10816-21:2015(F)
Les positions et directions de mesure exactes peuvent s’écarter des recommandations données dans
la présente partie de l’ISO 10816 en raison de la conception des carters ou d’autres problèmes d’accès.
Il convient que les fabricants de turbines éoliennes indiquent les positions de montage des capteurs
adaptées aux objectifs de la présente partie de l’ISO 10816. Les procédures comprennent le traitement, le
filtrage et le moyennage nécessaires des signaux ainsi que la détermination de valeurs caractéristiques
ou de fonctions caractéristiques et finalement l’affichage des résultats. Ce processus est également
désigné en tant que détermination de grandeurs caractéristiques.
Des informations générales sont fournies dans l’ISO 10816-1 et la VDI 3839, partie 1, en ce qui concerne
les grandeurs mesurées et caractéristiques utilisées dans la présente partie de cette norme ISO 10816
ainsi que les procédures et les instruments normalement utilisés pour mesurer et analyser les vibrations
d’une machine.
Pour l’évaluation des effets des vibrations sur les turbines éoliennes et leurs composants, les procédures
d’évaluation des vibrations des machines mentionnées dans d’autres normes ou lignes directrices
doivent être complétées pour permettre la détermination des grandeurs caractéristiques.
4.2 Méthodes de moyennage et grandeurs d’évaluation des vibrations d’une turbine
éolienne
Les conditions de fonctionnement applicables aux turbines éoliennes, telles que les variations
continuelles de la résistance et de la direction du vent, se traduisent par une variation continuelle des
excitations vibratoires et, de ce fait, des variations à court terme des valeurs mesurées avec de brusques
variations d’amplitude qui sont souvent considérables. Il est rare d’observer des conditions stables
pendant des périodes prolongées telles que celles spécifiées dans les différentes parties de l’ISO 10816
pour l’évaluation de l’état vibratoire.
De ce fait, pour les turbines éoliennes, il est absolument essentiel, lors de la détermination des grandeurs
caractéristiques, de moyenner les valeurs mesurées sur des périodes spécifiées afin de compenser toute
fluctuation. Avant de pouvoir procéder à une comparaison par rapport aux limites des zones d’évaluation
(voir Annexe A), les valeurs doivent être basées sur des données moyennées de façon comparable.
Il convient que la méthode de moyennage choisie pour les turbines éoliennes soit un moyennage en
énergie équivalente. Ici, par exemple, à partir de l’accélération mesurée dans le domaine temporel, une
accélération d’évaluation a , qui est une valeur efficace à large bande, est définie. Elle caractérise la
w0
charge totale sur une période d’évaluation (qui doit être définie; voir 4.3) et est obtenue à partir de la
valeur moyenne d’énergie équivalente de l’accélération mesurée dans une bande de fréquences donnée
conformément à la Formule (1):
T
0
1
2
a = at()dt (1)
w0 w
∫
T
0
0
où
a (t) est l’accélération dans une bande de fréquences donnée, mesurée en fonction du temps;
w
T est la période d’évaluation (voir 4.3).
0
Les bandes de fréquences sont spécifiées à l’Article 5. Toutefois, d’autres bandes de fréquences basées
sur l’expérience peuvent être appropriées.
La vitesse de vibration d’évaluation v peut être calculée de façon similaire.
w0
© ISO 2015 – Tous droits réservés 3
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 10816-21:2015(F)
L’évaluation de l’état vibratoire est non seulement basée sur l’accélération d’évaluation, mais aussi sur la
vitesse d’évaluation.
NOTE La méthode décrite dans la présente partie de l’ISO 10816 pour le moyennage de l’accélération mesurée
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.