ISO 20816-212025 机械振动 机器振动的测量和评定 第21部分水平轴风力涡轮机标准立项发展报告

ISO20816-21:2025机械振动机器振动的测量和评定第21部分：水平轴风力涡轮机标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Mechanicalvibration—Measurementandevaluationofmachinevibration—Part21:Horizontalaxiswindturbines摘要随着全球能源结构向低碳化转型加速推进，风力发电已成为可再生能源领域发展最为迅速的产业方向之一。风力涡轮机作为风能转换的核心装备，其运行可靠性、结构安全性与振动状态密切相关。振动测量与评定作为设备状态监测与故障诊断的关键技术手段，亟需建立统一的国际标准以规范测量方法、评价准则和数据表达方式。在此背景下，国际标准化组织（ISO）发布了ISO20816-21:2025《机械振动机器振动的测量和评定第21部分：水平轴风力涡轮机》。该标准属于ISO20816系列标准的重要组成部分，针对水平轴风力涡轮机的振动测量与评定提供了系统性的技术规范。本标准涵盖了测量仪器要求、测点布置方案、测量工况条件、振动评价区域划分以及报告格式等内容，适用于陆上及海上水平轴风力涡轮机的型式测试、验收测试和运行状态监测。本报告的发布将有效填补风力发电领域振动评定国际标准的空白，为风电机组的全生命周期振动管理提供统一的技术依据，对推动风电设备质量提升和行业规范化发展具有重要的指导意义。关键词：机械振动；振动测量；振动评定；水平轴风力涡轮机；ISO20816；状态监测；国际标准Keywords:Mechanicalvibration;Vibrationmeasurement;Vibrationevaluation;Horizontalaxiswindturbines;ISO20816;Conditionmonitoring;Internationalstandard一、引言1.1研究背景风力发电作为技术最成熟、开发成本最低的可再生能源形式之一，近年来在全球范围内呈现爆发式增长态势。据全球风能理事会（GWEC）统计，截至2024年底，全球风电累计装机容量已突破1000GW大关。中国作为全球最大的风电市场，截至2024年底累计装机容量已超过470GW，占全球装机总量的近一半。随着单机容量不断增大（目前主流陆上机组已达6-8MW，海上机组已达15-20MW），风轮直径持续扩展（最大已超过260m），风力涡轮机的结构柔度增大、载荷工况日益复杂，振动问题愈发突出。风力涡轮机在运行过程中承受着复杂多变的气动载荷、重力载荷和惯性载荷，其振动特性直接影响机组的结构疲劳寿命、传动系统可靠性以及发电效率。据统计，风电齿轮箱故障约占总故障率的20%-30%，发电机轴承故障约占15%-20%，而这些机械故障往往以异常振动为先期征兆。因此，建立科学统一的振动测量和评定标准，对于提升风力涡轮机的设计水平、运维质量和安全性能具有至关重要的作用。1.2标准立项的必要性在ISO20816-21:2025发布之前，风力涡轮机振动测量与评定领域存在多个并行使用的标准或技术规范，包括IEC61400系列标准中的相关要求、德国劳氏船级社（GL）指南以及各国国家标准等。这些文件在测量方法、评价阈值和数据处理方式等方面存在差异，导致不同制造商、不同检测机构之间的测试结果缺乏可比性，给风电设备的设计认证、验收交付和运行维护带来了诸多不便。ISO20816系列标准作为机械振动测量与评定领域的权威标准体系，已涵盖一般机械（第1部分）、汽轮发电机组（第2部分）、工业透平（第3部分）、燃气轮机组（第4部分）、水力机组（第5部分）等类别，但在风力发电领域尚属空白。ISO20816-21:2025的发布填补了这一空白，将风力涡轮机纳入ISO20816系列标准的统一框架之中，实现了与通用振动评定体系的有效衔接。二、标准概述2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|ISO20816-21:2025||标准名称|机械振动机器振动的测量和评定第21部分：水平轴风力涡轮机||英文名称|Mechanicalvibration—Measurementandevaluationofmachinevibration—Part21:Horizontalaxiswindturbines||发布机构|国际标准化组织（ISO）||分技术委员会|ISO/TC108（机械振动、冲击和状态监测技术委员会）||标准状态|现行||发布日期|2025年5月29日||发布年份|2025年||国别|国际组织||语种|英语||ICS分类号|17.160（振动、冲击和振动测量）||版本说明|电子版加密PDF格式，约1分钟可下载，有水印，需安装FileOpen插件，电脑需联网，限制累计3台电脑共打印5次|2.2标准的体系定位ISO20816-21:2025是ISO20816《机械振动机器振动的测量和评定》系列标准的重要组成部分。该系列标准由ISO/TC108（机械振动、冲击和状态监测技术委员会）归口管理，SC2（机械振动和冲击的测量与评定分技术委员会）具体负责制定。ISO20816系列标准的结构体系如下：-ISO20816-1:2024《机械振动机器振动的测量和评定第1部分：指导规则》-ISO20816-2:2017《机械振动机器振动的测量和评定第2部分：50MW以上陆地安装的汽轮发电机组》-ISO20816-3:2022《机械振动机器振动的测量和评定第3部分：额定功率大于15kW、转速在120r/min至30000r/min之间的工业机器》-ISO20816-4:2018《机械振动机器振动的测量和评定第4部分：包括燃气轮机驱动的机组》-ISO20816-5:2018《机械振动机器振动的测量和评定第5部分：水力发电厂机组》-ISO20816-7:2020《机械振动机器振动的测量和评定第7部分：工业泵》-ISO20816-9:2020《机械振动机器振动的测量和评定第9部分：带齿轮箱的机组》-ISO20816-21:2025《机械振动机器振动的测量和评定第21部分：水平轴风力涡轮机》ISO20816-21:2025作为该系列标准中风力发电领域的专项标准，在遵循ISO20816-1通用指导规则的基础上，充分考虑了风力涡轮机特有的结构特征、运行工况和载荷特点，提出了针对性的振动测量与评定方法。三、标准主要技术内容3.1适用范围ISO20816-21:2025适用于水平轴风力涡轮机的振动测量和评定，涵盖以下应用场景：-型式测试：用于验证风力涡轮机设计振动特性是否满足预定要求；-验收测试：用于风力涡轮机组安装完成后的现场验收，确认机组振动水平在可接受范围内；-运行状态监测：用于风力涡轮机运行期间的周期性或连续振动监测，为状态评估和故障诊断提供依据。标准适用于并网型水平轴风力涡轮机，包括陆上风电机组和海上风电机组。对于功率小于某个阈值或特殊结构形式（如垂直轴、达里厄型等）的风力涡轮机，可参照本标准的相关原则执行。3.2规范性引用文件本标准在技术内容上引用了多项相关国际标准，主要包括：-ISO20816-1《机械振动机器振动的测量和评定第1部分：指导规则》-ISO13373系列《机械状态监测与诊断振动状态监测》-ISO10816系列（已被ISO20816系列逐步替代的旧版标准）-IEC61400系列《风力发电机组》标准中涉及振动测量的相关内容-ISO16063系列《振动与冲击传感器校准方法》3.3测量仪器要求标准对振动测量仪器提出了明确的技术要求：传感器类型：标准推荐使用压电式加速度传感器或具有等效性能的其他类型传感器，传感器的频率响应范围应覆盖风力涡轮机振动测量的需要（通常为0.5Hz至10kHz）。考虑到风力涡轮机低速旋转部件（如转子转速通常在6-20r/min），传感器在低频段（低于1Hz）应具有良好的灵敏度和稳定性。测量系统：振动测量系统的总体误差应控制在±10%以内。系统应具备抗电磁干扰能力，适用于风力涡轮机塔架、机舱等复杂电磁环境下的测量需求。采集系统的动态范围应不小于60dB，A/D转换分辨率不低于16位。校准要求：测量系统应定期进行计量溯源校准，校准周期不超过12个月。传感器灵敏度校准应遵循ISO16063系列标准的相应要求进行。3.4测点布置方案标准对风力涡轮机振动测点的布置给出了具体的技术指导：主轴承/主轴测点：在主轴轴承座上设置径向振动测点（水平和垂直方向各一个），用于监测主轴和主轴承的振动状态。对于双馈式机组，主轴转速较低（通常在6-20r/min），振动测量应重点关注低频分量。齿轮箱测点：在齿轮箱体（或齿轮箱弹性支撑部位）的输入级、中间级和输出级对应位置设置振动测点，每个测量平面至少在径向两个正交方向上布置传感器。齿轮箱振动测量的频率范围应覆盖齿轮啮合频率及其谐波分量。发电机测点：在发电机驱动端和非驱动端轴承座（或壳体）位置设置振动测点，各布置水平方向和垂直方向传感器各一个。对于工作转速在1000-2000r/min的常见双馈发电机，测量频带应至少延伸至10倍转频以上。塔架/机舱测点：当需要对风力涡轮机整体结构振动进行评估时，可在塔架顶部和机舱底座等位置设置附加测点。塔架振动测量有助于评估整机在气动载荷和风浪载荷作用下的动力响应特性。3.5测量工况条件标准对振动测量的工况条件提出了明确要求：-稳定运行工况：机组应在额定功率的多个功率点下分别进行测量，通常包括10%、25%、50%、75%和100%额定功率工况，每个工况下应保持持续稳定运行时间不少于10分钟。-并网和脱网过程：应在机组并网和脱网过程中进行振动监测，评估瞬态过程的振动冲击水平。-正常运行转速范围：测量应覆盖机组正常运行的全转速范围，以获取振动随转速变化的完整特征。此外，标准还规定测量期间应同步记录机组运行参数（功率、转速、风速、桨距角等）和环境参数（风速、风向、气温等），以便对振动数据进行综合分析和评价。3.6振动评价区域ISO20816-21:2025延续了ISO20816系列标准中振动评价区域划分的基本原则，将风力涡轮机的振动水平分为四个评价区域：|区域|振动水平描述|评价结论||------|-------------|----------||区域A|新交付机组通常达到的振动水平|合格，振动状态优良||区域B|可长期持续运行的振动水平|合格，振动状态正常||区域C|振动水平较高，不宜长期持续运行|需要计划维护和整改||区域D|振动水平极高，可能导致机组损坏|立即停机检修|需要指出的是，由于风力涡轮机的振动特征参数（如振动速度有效值、加速度峰值等）与机组类型、容量、结构形式密切相关，不同部件（如低速主轴与高速发电机）的振动限值存在显著差异。标准针对不同测点位置和不同部件给出了差异化的区域阈值建议值。3.7测量数据表达与报告标准规定了振动测量结果的表达形式和报告规范，要求测量报告应包括以下主要内容：-机组基本信息：型号、额定功率、设计风速、转速范围、塔架高度等-测量系统信息：传感器型号、安装方式、校准有效期、采集参数设置等-测量工况记录：各工况下的功率、转速、风速等参数及持续时间-振动数据汇总：各测点在不同工况下的振动特征值（振动速度有效值、振动位移峰值、加速度峰值等）-振动评定结论：各测点振动水平对应的评价区域及综合评价结论-频谱分析结果：典型测点在额定工况下的振动频谱图四、标准的技术特点与创新点4.1涵盖宽频带范围的振动评价风力涡轮机与传统旋转机械的显著差异在于其包含多种转速不同的旋转部件：低速主轴（转速通常为6-20r/min）、中速齿轮箱轴系、高速发电机轴（转速通常为1000-2000r/min）。针对这一特点，ISO20816-21:2025突破了传统标准中采用单一频段振动速度有效值作为评价参数的局限性，引入了宽频带范围内的多参数综合评价方法，涵盖低频结构振动、中频机械振动和高频齿轮/轴承振动等不同频段的特征参数。4.2考虑风载荷的随机性特征与传统工业机械在相对稳定的负载条件下运行不同，风力涡轮机始终承受着具有显著随机性和非平稳特征的风载荷。标准在测量工况的规定中特别考虑了风湍流强度对振动响应的影响，要求测量期间的风湍流强度应在合理范围内，以保证测量结果的代表性和可重复性。这一考虑在国际振动评定标准中具有开创性的意义。4.3区分瞬态和稳态振动评价风力涡轮机的运行过程中包含大量瞬态工况（如启停机、变桨调节、偏航对风、紧急停机等），这些瞬态过程引发的振动往往比稳态运行更为剧烈。标准对瞬态振动的评价方法给出了专门规定，提出了峰值保持和短时傅里叶变换等瞬态信号分析手段的应用建议，确保机组在各种运行状态下的振动安全性均能得到有效评估。4.4与IEC61400系列标准的协调互补ISO20816-21:2025在制定过程中注重与IEC61400系列标准（风力发电机组设计、安装、运行和维护标准体系）的协调与互补。IEC61400侧重于机组整机设计和安全要求，而本标准专注于振动测量和评定的具体技术操作。二者形成有机衔接，共同构成风力涡轮机振动管理的完整标准体系。五、标准制定的主要参与单位5.1ISO/TC108技术委员会ISO20816-21:2025由国际标准化组织ISO/TC108“机械振动、冲击和状态监测技术委员会”归口管理。该技术委员会成立于1969年，是ISO在机械振动领域最核心的技术委员会之一，秘书处目前由美国标准协会（ANSI）承担。TC108的工作范围涵盖机械振动和冲击的测量、测试与评定方法，机器状态监测与诊断技术，以及振动与冲击对人体的影响等领域。TC108下设多个分技术委员会（SC）和工作组（WG），其中与本标准直接相关的机构包括：-SC2：机械振动和冲击的测量与评定，负责制定各类机器振动测量和评定的方法标准；-WG27：大型旋转机器的振动评定，负责大型旋转机械（包括风力涡轮机）振动评定标准的起草工作。5.2主要参与的国家标准机构和行业组织在ISO20816-21:2025的制定过程中，多个国家的标准机构和行业组织深度参与，贡献了各自在风电振动测试与评定方面的技术经验和研究成果：德国标准化学会（DIN）在标准制定中发挥了关键作用。德国作为全球风电技术领先的国家，其GL指南（德国劳氏船级社风力涡轮机认证指南）中关于振动测量的技术要求为本标准提供了重要参考。德国风电龙头企业如西门子歌美飒（SiemensGamesa）、Enercon等的工程实践数据也为标准阈值的确定提供了实证支撑。中国全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会（SAC/TC53）深入参与了标准的制定工作。随着中国风电装机容量连续多年位居全球第一，中国在风力涡轮机振动测试和运行监测领域积累了丰富的工程经验，这些实践经验在标准讨论中被充分反映。国内主要风电整机制造商（如金风科技、远景能源、明阳智能等）的测试数据为该标准评价阈值的合理性验证提供了有力支持。丹麦标准化组织（DS）同样参与了标准的制定。丹麦是全球风电技术的发源地之一，维斯塔斯（Vestas）作为全球最大的风电整机制造商，其在风电机组振动监测