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.
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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 2015
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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
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.
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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 ro
...
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 2015
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l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
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Web www.iso.org
Publié en Suisse
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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
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
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 mesurag
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.