CN101400926A - 具有增强的面稳定性的机械密封件 - Google Patents

Abstract

一种用于旋转轴的密封组件。密封组件包括密封环、密封环壳体和波纹管。密封环限定轴向延伸的环形表面和径向延伸的密封面。密封环壳体具有紧固在一起的前件和后件。前件包括限定与密封环的环形表面干涉配合式接合的轴向延伸的接合表面的足部。前件进一步包括连接至足部并径向定位在足部外的径向延伸的胫部。足部包括从其与胫部的连接部轴向延伸的内足部。足部在其接合表面处具有轴向长度。内足部在其接合表面处具有轴向长度。胫部具有轴向长度。波纹管限定了无压力作用在密封环上时的有效直径。足部与密封环的交界面限定干涉直径。优选的，足部的轴向长度大于胫部的轴向长度。优选的，内足部在其接合表面处的轴向长度与足部在其接合表面处的轴向长度的比值大于0.5。优选的，在零压差时干涉直径在波纹管的有效直径的+10％和－10％的范围内。

Description

具有增强的面稳定性的机械密封件

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C§119，要求2006年3月8日提交的美国临时申请60/780,334以及2007年3月7日提交的美国专利申请No.11/683,202的优先权，所述申请通过引用被合并于此。

技术领域

本发明涉及一种机械面密封组件。具体而言，本发明涉及适合应用于宽范围的温度和压力工作环境的密封组件。

背景技术

泵，尤其是那些炼油厂和化工厂中的泵，通常处理难以密封的液体，包括丙烷、丁烷，以及其他不稳定的、易燃烧的或有毒的液体。这些液体可导致短的密封寿命和所不希望的产品泄漏，加速了健康状态和安全泵排放调节的转变。

机械端面密封组件为已知的且代表了针对产品泄漏的成功的解决方案。机械端面密封组件广泛应用于对具有壳体和延伸的旋转轴的泵中的液体进行密封。密封组件通常包括一对环形密封环，其限定一对相对地径向的环形密封表面，所述环形密封表面被紧压在一起从而限定密封交界面。这些密封环通过组合元件支撑在轴和壳体上。一个密封环，即主环，可轴向移动，并通过压缩弹簧或金属波纹管被紧压为与其他的密封环，即被固定为防止轴向运动的配合环，面对面接触。密封组件可包括单密封件或双密封件，被施加缓冲流体压力，所述缓冲流体压力高于将要被密封的过程流体的压力，从而防止过程流体在密封环面上的泄漏。这种机械密封件可从约翰克兰公司(John Crane Inc.)买到，并在美国专利No.5,901,965和No.5,954,341中有公开，其公开内容通过引用被合并于此。本发明是对美国专利No.5,901,965和No.5,954,341中类型的机械密封件的改进。

图1示出机械密封件的传统(现有技术)主环组件510。该机械密封件的主环组件510包括：主环514，通过压配合或热力收缩配合技术接触配合主环壳体512，以及连接到主环壳体512一侧的波纹管516。压配合或热力收缩配合提供了主环514与主环壳体512之间极紧密的干涉配合，其中，主环514被径向和轴向固定至主环壳体512。在压配合时，配合部件被强压在一起，其中内部元件的外尺寸与外部元件的内尺寸相同或较之略大。在热力收缩配合时，通过冷却内部元件使内部元件皱缩(收缩)并将该内部元件插入外部元件中而使部件接合。所述内部元件返回至环境温度而导致的内部元件随后的膨胀确保了紧密配合。可替代地，也可以通过加热使外部元件膨胀并将内部元件插入外部元件中而使部件接合。所述外部元件返回至环境温度而导致的外部元件随后的收缩确保了紧密配合。

主环514与主环壳体512之间的干涉配合，作为二次静态密封，阻止被密封的过程流体从主环514与主环壳体512之间泄漏。此外，由于干涉配合而在主环514与主环壳体512之间产生的接触摩擦阻止了主环514相对于主环壳体512的相对圆周运动。

对于给定的密封尺寸，干涉量取决于名义干涉直径、壳体和主环结构材料的不同的热膨胀系数、以及最大的工作温度。表1示出一些典型的壳体和主环材料的热膨胀系数的代表值。

表1

                 典型的热膨胀系数(×10^-6in/in℉)

壳体材料                  主环材料

合金718    合金42         碳     碳化钨(WC)        碳化硅(SiC)

7.1        2.4            2.5    2.9               2.4

可能形成壳体的材料：合金718和合金42，为众所周知的合金，并可从不同的材料供应商买到。如所见，合金42具有较低的热膨胀系数，其与主环材料的热膨胀系数接近，因而有的时候是壳体结构材料的良好选择。令人遗憾的是，含有腐蚀性有机酸和高硫化合物的高温应用趋向于腐蚀合金42壳体。通常的行业惯例是向合金42的壳体元件镀铬，从而保护其不受腐蚀。然而，由于镀铬只能延迟腐蚀扩散，因此这种镀铬并不被认为是有效的。

当与传统的主环干涉配合的设计一起使用并且采用合金718构造壳体时，也存在一些困难。图2示出传统(现有技术)设计的示意图，该设计具有单一件的主环壳体514。图2也示出了这种传统密封件的典型的接触压力分布PDz。如图2所示，接触范围被限制在接合足部530的跟部540附近的相当窄的区域。这种窄的接触区域在接合足部530的趾部542附近形成了小间隙543。图3示出在满(full)工作温度下并且过程/阻挡液体向主环514施加外部压力时的接触压力分布PD_OD。图4示出在满工作温度下并且过程/阻挡液体向主环施加内部压力时的接触压力分布PD_ID。

与如图1所示的一体式主环壳体512结构相关的另一困难是，在主环514与主环壳体512的干涉配合过程中，在壳体512的铰链部513的区域产生了高弯曲应力和弯矩。这些高弯曲应力可导致壳体512在干涉配合过程中在铰链部513处断裂或破裂。

附图说明

图1是波纹管机械密封件的传统(现有技术)主环组件的横截面图。

图2是图1中的传统(现有技术)主环组件的非装配的横截面示意图，显示了室温下并且过程/阻挡液体使主环被施加压差时的接触压力分布。

图3是图1的传统(现有技术)主环组件的非装配的横截面示意图，显示了在满工作温度下并且过程/阻挡液体向主环施加了外部压力时的力和接触压力分布。

图4是图1的传统(现有技术)主环组件的非装配的横截面示意图，显示了在满工作温度下并且过程/阻挡液体向主环施加了内部压力时的力和接触压力分布。

图5是示例出本发明特征的波纹管机械密封件的主环组件的横截面图。

图5A是示例出本发明特征的可替代的主环和主环壳体的横截面图。

图6是图5中的主环组件的主环和主环壳体的放大的横截面图。

图7是图5中的主环组件的非装配的横截面示意图，显示了室温下并且过程/阻挡液体没有使主环被施加压差时的接触压力分布。

图8是图5中的主环组件的非装配的横截面示意图，显示了在满工作温度下并且过程/阻挡液体施加了外部压力时的接触力和接触压力分布。

图9是图5中的主环组件的非装配的横截面示意图，显示了在满工作温度下并且过程/阻挡液体施加了内部压力时的接触力和接触压力分布。

图10是与传统的配合环组件配合使用的图5中的主环组件的横截面图。

图11是与示例出本发明特征的配合环组件配合使用的图5中的主环组件的横截面图。

图12是示例出本发明特征的可替代的主环组件的横截面图，具有对称且不平衡的主环。

图13是示例出本发明特征的可替代的主环组件的横截面图，具有对称且平衡的主环。

具体实施方式

由于含上述有机酸和硫化合物的酸性原油的使用的增加，高温原油的腐蚀性正变成炼油厂主要关注的问题。本发明的一个实施例要求完全的合金718冶金，其即使在高温时也可抗腐蚀侵袭。另外，热处理后的合金718在高温，例如800℉或更高温度时能更好地保持其固有强度。如表2所示，合金42不仅在室温时具有相对低的多的强度，而且其强度在更高温度时显著地下降。另一方面，合金718不仅在室温时比合金42的强度高几倍，而且在更高温度时比合金42更好地保持了其高强度。

表2

温度(℉)                     屈服强度(KSI)

                        合金718           合金42

70                        125                        40

1000                      90                         14

因此，适于高温腐蚀性应用的壳体材料的自然选择为合金718。然而，如表1所示，合金718壳体与常用的主环材料之间的热膨胀系数差值比合金42的情况下高的多。因此，在它们之间需要更高的干涉，以便在高温操作时将壳体保持为适当紧固。通常，根据尺寸，合金718壳体和典型主环所需的直径干涉范围为0.010-0.030英寸，然而，适于合金42的同样的直径干涉范围为大约0.002-0.005英寸。

与现有的机械密封设计相比，本发明提供了极大地增强的面稳定性，因为本发明的机械密封设计对热不敏感，并且在壳体/转接器、干涉配合区域保持了轴向恒定的接触应力。该密封件适合于宽范围的温度极限的应用，例如在炼油厂的蒸馏装置中高温腐蚀环境下工作的泵的应用。即使在壳体与主环之间的较大的干涉配合情况下，也能保持所述面稳定性以及元部件的结构完整性。这种高干涉水平对于提供壳体和密封环材料的大量不同的热膨胀系数是必需的，这由上述高要求的应用所决定。这种所期望的面稳定性可以减少泄漏以及获得可能的较长的密封寿命。这种密封件可被设计为具有双重压力性能，可以在具有外部或者内部较高压力的过程/阻挡液体的情况下工作。

密封环组件的发明在于，其可被固定地附接至壳体以适应于高轴速的应用和处理高的轴-密封件腔的未校准，其或者可被安装在轴上以便适用于那些期望可靠、高强度的旋转密封件的应用。一些典型的工作极限为：

温度极限：-100℉至800℉

压力极限：单层波纹管时，<300磅平方英寸(psid)，

多层波纹管时，>300磅平方英寸(psid)(外压或内压性能)

面速度极限：10,000英尺/分(fpm)(固定结构)

5,000英尺/分(fpm)(旋转结构)

流体特性：腐蚀性或非腐蚀性

图5和图6示例了体现本发明的主环组件10的实施例。该主环组件10包括主环壳体12、主环14和波纹管16。旋转轴18以纵向轴线20为中心，延伸穿过主环组件10。应注意的是，在描述实施例所使用的术语“轴向的”和“轴向地”表示纵向地沿轴18的轴线20。在描述实施例所使用的术语“径向的”和“径向地”表示在大致与轴18的轴线20垂直的平面中朝向和远离该轴线。

主环14限定轴向延伸的环形外表面53和径向延伸的密封面52。环形外表面53是主环14外表面的与壳体12接合的部分，这将在下文中进一步描述。应注意的是，环形外表面53并非必须是径向最外面的表面，如邻近密封面52位于更径向向外的环形表面所证实。主环14的密封面52用于接合配合环的相应的密封面。用于构造主环14的可能材料包括碳、饱和碳、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)、硅/碳石墨化合物以及青铜。

壳体12由两件-前件22和后件24组成，这两件在其连接部26处被焊接在一起。用于构造主环壳体件22和24的可能材料包括合金718、合金625、合金620、合金20、镍基合金(Hastelloy)、AM350以及不锈钢。优选地，用于构成主环壳体件22和24的材料为合金718。波纹管16与后件壳体24被焊接至它们的邻接部28处。波纹管16可以是单层或多层结构。用于构成波纹管16的可能材料包括合金718、镍基合金、AM350、合金20以及不锈钢。优选地，用于构成波纹管16的材料为合金718。在下文中，该新设计，该当前发明公开内容的主题将被称为高温和腐蚀性应用密封，或简称为“HTC”。

这种两件式壳体结构采用优化的几何形状，其可能非常错综复杂，但仍可在前件22中机械加工。最终目标为在工作温度和压力范围内实现最佳的密封面稳定性，同时在任一方向具有最小量的面锥度，其中，面锥度通常被称为“OD”或“ID”高度。这种增强的面稳定性又会导致泄漏减少和较长的密封寿命。这种改进的两件式设计可用于将密封面与最传统的密封设计(即，推出器)配合使用，并具有类似的性能效果。

所示的前件壳体22具有接合足部30，主环14与接合足部30干涉配合。接合足部30限定轴向延伸的接合表面32，该接合表面32与主环14的环形表面53干涉配合式接合。足部30具有内足部34、中足部36和外足部38。接合表面32在接合足部后面的接触区域为跟部40，其前部为趾部42。内足部34与壳体的上部区域或腿部44之间具有凹部46，而连接腿部44和足部30的环形区域为胫部48。胫部48从足部30径向延伸。在胫部48与腿部44的连接部上方还可以有径向延伸的毂部50，如图6所示。具有省略的毂部的前件壳体22在图5中由线51示出。胫部48具有轴向长度L_s，该轴向长度允许胫部弯曲到与前件壳体22干涉配合的主环14上。内足部34在其靠近跟部40处的接合表面具有轴向长度L_h。足部30在其接合表面32上具有轴向长度L_f。足部30在其接合表面上的轴向长度L_f优选大于胫部的轴向长度L_s。与现有的密封设计相比，足部30与主环14之间的增大的接触区域使得交界面上的接触压力更少地集中在某一特定点。

为了控制由足部与密封环的配合表面之间的干涉配合所造成的接触压力分布，优选地，内足部的接合表面长度L_h与足部的接合表面长度L_f的比值(L_h/L_f)大于0.5。更优选地，内足部的接合表面长度L_h与足部的接合表面长度L_f的比值(L_h/L_f)在0.556与0.625之间。为了使主密封件上的净力矩几乎为零，将接触压力围绕旋转中心分布是重要。而使主密封件上的净力矩几乎为零，又是在作用的压力和温度改变的情况下保持面的平直度所需要的。传统壳体设计的内足部与足部在他们的接合表面处的长度的比值接近为零(0)，因而不能具有均匀分布的接触压力，并难以控制面的平直度。

在先前段落中所述的所有这些上述区域的尺寸(例如长度和厚度)，包括主环的尺寸，被视为优化的参数，并可被重复设计以获得优化的性能特性。这些控制参数允许精密调节，从而在宽范围的工作温度和压力下或者在特定的温度和压力下，控制各种主环形状的干涉接触压力、接触应力和面稳定性。该优化设计对热不敏感，并在干涉配合区域具有轴向恒定的接触应力分布。控制参数：内足部34、外足部38、胫部48、毂部50和腿部44，在厚度和长度上可进行调节，以适应变化的主环的几何形状。相对于重心/旋转横截面中心更多地为不对称的主密封件的几何形状，将在这些控制参数的长度和厚度上需要更多的不对称。前件壳体相对于主密封件的相对定位也是设计控制参数，从而进一步维持由于温度的改变所造成的干涉配合的松弛所致的面锥度。

壳体12与主环14之间的干涉配合设计不再需要任何二级密封件，例如美国专利4,971,337中公开的作为二级密封件的柔性石墨，这可能存在问题，因为柔性石墨不平坦的表面接触壳体的背部，而柔性石墨外形特征可部分地转变为密封面。前件壳体22在其与主环14初始干涉配合之后被连接至后件壳体24。该过程消除了例如图1所示的传统的一体式结构密封件的铰链部的区域存在的弯曲应力和弯矩。

在此实施例中，可被称为密封直径的名义干涉直径D_s，被设计为与图5所示的波纹管的平均有效直径ED_Z非常接近。波纹管的有效直径或“ED”为假想的直径，所施加的压力有效地扩散到该假想直径，从而向密封件施加闭合力。这类似于推进器类型密封件的“平衡直径”。平均有效直径为向密封环14上施加零压差时的理论有效直径，可以是波纹管中心的外直径和内直径的算术平均值。主环14的密封面52被设计为，使得平均有效直径的定位在零压差时达到初始平衡，在该初始平衡时，密封面52的径向中心线如图5所示接近平均有效直径ED_z。

该具体实施例的主环14为不对称且平衡的。该主环14被视为是不对称的是因为主环14的相对于重心CG轴向定位的两侧是不对称的。该主环被视为是平衡的是因为密封面52的径向中心线在零压差时位于波纹管16的有效直径ED_z附近。

当施加满外部压差时，波纹管的有效直径向下偏移至较低的值ED_OD，如图5和图8所示。再次地，密封面被设计为，使得上述ED偏移能够将平衡比值增大至基于传统密封件的现有经验的适当水平，从而使泄漏最小化，并具有最合适的磨损。

图8示出作用在主环14上的外部压力。如可见，当满外部压力作用在主环14的位于壳体12的接合足部30之外的外悬部分上时，然而，表面52上的压力在内径(ID)处减少至零压差。尽管所示的表面压力曲线是线性的，这是具有平行密封交界面的情况，实际上，根据工作面锥度，表面压力曲线可向内或向外弯曲。

作用在主环上的净轴向力倾向于在接触区域造成主环14与壳体12之间的轴向滑动，并推动主环14朝向后件24。另外，在图8中未示出的配合环面由于面接触负载以及相应的交界面摩擦而倾向于在接触区域造成旋转滑动。净轴向滑动力可被示为近似等于，外部压力乘以满外部压力时密封直径(或名义干涉直径)与有效直径之间的环形面积再加上初始的波纹管弹簧负载。壳体12与主环14之间的初始干涉的水平以下述方式选择：在满外部压力和最大的工作温度下，平均的接触压力水平大于能够抵抗沿轴向和旋转方向的主环滑动的压力水平。

类似地，当施加满内部压差时，波纹管的有效直径从ED_Z向上变为ED_ID，如图5和图9所示。类似于外部压力的情况，密封面的设计确保了满内部压力时的新的平衡比值满足设计要求。

通过在零压差时将交界面直径D_s定位成非常接近波纹管的有效直径ED_Z，沿轴线方向的净轴向力在如上述提供的内部压力和外部压力的条件下被最小化。优选地，在零压差时交界面直径D_s在波纹管的有效直径ED_z的正负10％(+10％和-10％)范围内。更优选地，在零压差时交界面直径D_s在波纹管的有效直径ED_Z的+6％和-6％的范围内。将沿轴向方向作用而使主密封件相对于壳体移动的液压力进行最小化是极为重要的。随着这些力增大，由干涉配合提供的接触力的量必须增大以防止运动。

如上所述，当干涉配合的直径不变化时，有效直径随着系统压力的变化而变化。根据实际应用，有可能希望干涉直径朝向有效直径的范围的任一端值偏移。

再次，如前所述，作用在主环14上倾向于造成轴向滑动的净轴向力近似等于内部压力乘以有效直径与密封直径之间的环形面积再加上初始的波纹管弹簧负载。再次，初始的干涉水平被选择为，使得在满内部压力和最大工作温度时的平均接触压力的量大于能够抵抗任何使主环滑动的力的量。

因此，该设计能够用于具有单一波纹管的外部或者内部压力的应用，然而，为实现同样的任务，一些现有的设计需要两个不同尺寸的波纹管。为了证实该性能，实验室已进行了许多成功的试验。

图5示出了前件壳体的一个可变结构，当然也存在从该总体形状具体化的其他的实施例。这些形状包括但不限于，比外足部38更短和/或更厚的内足部34，比所示更短和/或更厚的胫部40，没有毂部50，没有内足部34或外足部38，等等。

此外，两个可能的主环鼻部结构被示于图5和图6中，一个如图5所示具有钝鼻54，另一个如图6所示具有台阶鼻56。钝鼻54结构通常用于采用例如硅和碳化钨的硬的主环材料的情况，而台阶鼻56结构通常用于采用类似碳的更软的材料的情况。此外，图5和图6还示出了后件壳体24的两个可能结构。在如图5所示的结构中，该后件壳体24的内径(ID)朝向主环14的内直径而延伸到58处。在如图6所示的第二结构中，后件壳体24在60处被截平以具有更高的内径ID。

为了装配如图5所示的主环组件10，主环14首先被干涉配合到前件壳体22中，该前件壳体22然后被焊接至后件壳体24和波纹管16。前件壳体22的形状通过下述方式优化：其接合足部30与主环14之间的接触区域的范围几乎为100％的从其跟部40延伸至趾部42，如图7中的接触压力分布PD_Z所示。相反，传统的干涉配合的主环组件510在跟部540附近具有相对集中的接触，延伸到相应的足部长度的大约20％，如图2所示。因此，如图7所示的HTC设计的最大接触压力比如图2所示的用于相同干涉水平的传统设计的最大接触压力低几倍。

主环14相对于壳体足部30被定位在最佳深度，使得由于上述接触压力分布PD_Z，主环14具有相对于其重力/旋转中心几乎为零的净力矩。这种状态将使密封面52在没有任何可察觉的锥度的情况下几乎保持平直。该分析结果已在实验室中得到了重复验证。这意味着，优选地定位的主环，在干涉配合操作前处于“无应力状态”，在干涉配合之后由于其“满(fully)应力状态”的接触压力而仍保持为没有任何净扭矩作用其上。因此，初始时处于平直的主环密封面52在优化的位置处干涉配合到前件壳体之后仍保持平直。这是前所未有的行为，在传统的干涉配合的密封设计中是观测不到的。

随着温度的增加，壳体12与主环14之间的有效干涉由于它们不同的热膨胀特性而减少，干涉配合区域的接触压力水平也减少。因此，壳体12与主环14从“满(fully)应力状态”朝相对“较低的应力状态”逐渐释放。然而，在优化的设计中，由于相应的相对于主环旋转中心的接触压力分布(尽管处于降低的水平)，净力矩在应力释放过程中保持几乎为零，因此，密封面52倾向于在温度操作的整个范围内保持几乎完美的平直状态。

当满外部压力施加在主环14上时，接触压力的量和接触压力分布改变，壳体12和主环14倾向于在趾部42附近分离。这种分离的程度取决于初始干涉以及应用的温度和压力。图8示出代表性的接触压力分布PD_OD，其中接触部分延伸到足部长度的大约70％。该接触范围远大于图3所示的传统的现有技术中的主环组件510的接触范围，在类似的情况下，传统的现有技术中的主环组件510的接触范围大约为15％。由于压力作用所致的任何不平衡的净力矩阻止了主环14旋转，因此，这种相对更大的接触支撑固有地产生了更高的相对面稳定性。

另一方面，当内部压力施加在主环14上时，接触区域再次倾向于延伸到接合足部30的100％的趋势，如图9中的代表性接触压力分布PD_ID所示，从而对主环14提供进一步的支撑，并如前所述，在这种压力情况下带来相对增强的面稳定性。

通过优化过程，前件22和主环14设计为，当主环14被干涉配合到壳体12中时获得几乎为零的名义面偏转，使得面平直度在温度上升到工作温度和任何偏离值的情况下改变很小(例如几个氦光带)。其次，该设计被进一步优化，使得由于外内部压力条件产生的面锥度的量不仅被最小化，而且在大小上完全相等，从而实现在各种方向的压力作用下的对称行为。典型地，在外部压力的情况下，面锥度沿“OD高度”的方向，而在内部压力的情况下，其沿“ID高度”的方向。适于外部压力和内部压力的面锥度的量通过优化过程不仅几乎相等，而且这些值远小于适于传统的干涉配合密封的那些值。应注意的是，高的面锥度会导致较高的泄漏和加速的面磨损。

与传统的密封件相比，示例出本发明的所述新的HTC密封设计具有若干优点。示例出本发明的密封设计在干涉配合区域提供完全或几乎完全的接触，与传统的干涉配合密封件相比，这在工作温度和压力的情况下产生了高度增强的面稳定性。而且，由于增大的接触长度和相对均衡的接触压力分布，在壳体与主环之间可存在更高的干涉水平，而不会对主环局部过度加压而使其断裂。

应注意的是，尽管以上实施例结合主环组件描述了HTC密封设计原理，然而，HTC密封设计原理可同样应用于如下所述的配合环组件。如上所述的本发明的主环组件10，可具有如图10所示的传统设计的配合环组件70A，或者如图11所示的结合本发明HTC密封原理的配合环组件70B。

结合HTC原理的配合环组件70B，包括配合环壳体72和配合环74。用于构成配合环74的可能材料包括碳、饱和碳、碳化钨、碳化硅、硅/碳石墨化合物以及青铜。配合环壳体72由两件-前件76和后件78组成，这两件在其连接部80处被焊接在一起。用于构成配合环壳体件76和78的可能材料包括合金718、合金625、合金620、合金20、镍基合金(Hastelloy)、AM 350以及不锈钢。优选地，用于构成配合环壳体件76和78的材料为合金718。类似于主环壳体12的前件22，配合环壳体72的前件76具有使配合环74被干涉配合的接合足部82。配合环壳体72的接合足部82限定了与配合环74干涉配合式接合的接合表面84。足部82具有内足部86、中足部88和外足部90。接合表面84的位于接合足部后面的接触区域为跟部92，其前部为趾部94。内足部86与壳体的上部区域或腿部96之间具有凹部98，而连接腿部96和足部82的环形区域为胫部100。

在先前段落中所述的所有这些上述区域的尺寸(例如长度和厚度)，包括配合环的尺寸，视为优化过程的参数。配合环相对于足部的定位也是优化参数。通过改变这些参数的厚度和长度来控制接触应力和面稳定性，从而产生一组具体的温度和压力。

图12示例了根据本发明的可替代的主环组件210。该可替代实施例的主环214为对称且不平衡的。该主环被视为是对称的是因为主环214的相对于其重心CG轴向定位的两侧基本上是对称的。该主环被视为是不平衡的是因为零压差时密封面252的径向中心线并不位于波纹管的有效直径ED_Z的附近。应注意的是，壳体212的胫部248和足部230的形状不同于图5所示的主环组件10的胫部48和足部30的形状。

图13示例了根据本发明的第二可替代主环组件310。该第二可替代实施例的主环314是对称且平衡的。该主环被视为是对称的是因为主环314的相对于其重心CG轴向定位的两侧基本上是对称的。该主环被视为是平衡的是因为零压差时密封面352的径向中心线位于O形环316的有效直径ED_Z的附近。应注意的是，壳体312的胫部348和足部330的形状不同于图5和图12所示的主环组件10和210的胫部48和248和足部30和230的形状。

图5、图12和图13所示的实施例中的胫部和足部的形状的不同表明，由于主环的形状以及零压差时相对于波纹管/O形环的有效直径ED_Z的密封面的径向中心线，胫部和足部的优选的几何尺寸可以改变。

本发明的各种特征已参照所示和所述的实施例进行了说明。但应理解的是，在不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行众多修改。

Claims (23)

1、一种用于旋转轴的密封组件，所述密封组件包括：

密封环，其限定轴向延伸的环形表面和径向延伸的密封面；以及

密封环壳体，其具有足部，所述足部限定轴向延伸的接合表面，所述接合表面用于与所述密封环的所述环形表面干涉配合，所述密封环壳体进一步包括连接至所述足部并径向定位在所述足部外的径向延伸的胫部，所述足部在所述接合表面上的轴向长度大于所述胫部的轴向长度。

2、如权利要求1所述的密封组件，其中，所述足部进一步包括，从所述足部与所述胫部的连接部轴向延伸的内足部。

3、如权利要求2所述的密封组件，其中，所述内足部在所述内足部的接合表面处具有轴向长度，所述内足部在所述内足部的接合表面处的长度与所述足部在所述接合表面处的长度的比值大于0.5。

4、如权利要求3所述的密封组件，其中，所述内足部从所述足部与所述胫部的连接部沿远离所述密封环的密封面的方向轴向延伸。

5、如权利要求2所述的密封组件，其中，所述足部进一步包括外足部，所述外足部从所述足部与所述胫部的连接部沿远离所述内足部的方向轴向延伸。

6、如权利要求1所述的密封组件，其中，所述密封环壳体进一步包括，连接至所述胫部并径向定位在所述胫部外的轴向延伸的腿部。

7、如权利要求6所述的密封组件，其中，所述密封环壳体进一步包括，从所述胫部与所述腿部的连接部径向向外延伸的毂部。

8、如权利要求1所述的密封组件，其中，所述密封环壳体具有紧固在一起的前件和后件。

9、如权利要求8所述的密封组件，其中，所述密封环壳体进一步包括将所述前件紧固至所述后件的焊接接头。

10、如权利要求9所述的密封组件，进一步包括紧固到所述壳体的所述后件的波纹管。

11、如权利要求5所述的密封组件，进一步包括波纹管，其中，所述密封环壳体进一步包括紧固到所述腿部的后件，所述波纹管被紧固到所述后件。

12、如权利要求1所述的密封组件，其中，所述密封环壳体由合金718形成。

13、如权利要求1所述的密封组件，其中，所述密封环为能与轴一起轴向移动的主环，所述密封组件进一步包括被固定为防止轴向运动的配合环、以及配合环壳体，所述配合环限定与所述主环的密封面接合的密封面，所述配合环壳体具有足部，所述足部限定与所述配合环干涉配合式接合的接合表面，所述配合环壳体进一步包括连接至所述足部并径向定位在所述足部外的胫部，所述配合环壳体的所述足部包括从所述足部与所述胫部的连接部轴向延伸的内足部。

14、如权利要求13所述的密封组件，其中，所述配合环壳体的所述足部进一步包括外足部，所述外足部从所述足部与所述胫部的连接部沿远离所述配合环壳体的所述内足部的方向轴向延伸。

15、一种用于旋转轴的密封组件，所述密封组件包括：

密封环，其限定轴向延伸的环形表面和径向延伸的密封面；

波纹管，其限定当在所述密封环上作用零压差时的有效直径；以及

密封环壳体，其具有紧固在一起的前件和后件，所述前件包括足部，所述足部限定与所述密封环的所述环形表面干涉配合式接合的轴向延伸的接合表面，所述足部与所述密封环的交界面限定干涉直径，在零压差时所述干涉直径在所述波纹管的所述有效直径的+10％到-10％的范围内。

16、如权利要求15所述的密封组件，其中，在零压差时所述干涉直径在所述波纹管的所述有效直径的+6％到-6％的范围内。

17、如权利要求15所述的密封组件，其中，所述密封环壳体进一步包括将所述前件紧固至所述后件的焊接接头。

18、如权利要求15所述的密封组件，其中，所述密封环壳体由合金718形成。

19、一种用于旋转轴的密封组件，所述密封组件包括：

密封环，其限定轴向延伸的环形表面和径向延伸的密封面；以及

密封环壳体，其包括足部，所述足部限定与所述密封环的所述环形表面干涉配合式接合的轴向延伸的接合表面，所述密封环壳体进一步包括连接至所述足部并径向定位在所述足部外的径向延伸的胫部，所述足部包括从所述足部与所述胫部的连接部轴向延伸的内足部，所述足部在所述接合表面处具有轴向长度，所述内足部在所述内足部的接合表面处具有轴向长度，所述内足部在所述内足部的接合表面处的长度与所述足部在所述接合表面处的所述长度的比值大于0.5。

20、如权利要求19所述的密封组件，其中，所述内足部在所述内足部的接合表面处的长度与所述足部在所述接合表面处的长度的比值在0.556至0.625之间。

21、如权利要求19所述的密封组件，其中，所述足部进一步包括外足部，所述外足部从所述足部与所述胫部的连接部沿远离所述内足部的方向轴向延伸。

22、如权利要求19所述的密封组件，其中，所述密封环壳体具有紧固在一起的前件和后件。

23、如权利要求19所述的密封组件，其中，所述密封环壳体由合金718形成。

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