CN101424343A - 多体式密封环 - Google Patents

Abstract

在用于密封压缩机的活塞杆的压力密封体中通常使用由径向剖分的和切向剖分的密封环构成的组合。这两个配合作用的密封环在此必须是相互防转的，以便确保覆盖通过相应另一环的磨损间隙。防转装置通常是销，其插入两环中。但由于径向剖分的和切向剖分的密封环产生的不同的磨损，防转销经受剪切负荷，其可能导致销的断裂。为了避免这种情况建议具有各个密封环的压力密封体，它们为此必须构成为特殊剖分的。本发明描述一种这样的密封环，其特征是各密封段的特别低的磨损和随其出现的高的使用寿命。密封环(11)为此在最大磨损的位置，即在密封段中心具有最大的材料厚度，其中密封环(11)的一密封段(14)在该区域内通过一轴向突出部(24)沿轴向方向被加宽。

Description

多体式密封环

技术领域

本发明涉及一种多体式密封环，包括多个弓形段和多个密封段，它们紧密地彼此靠紧和形成一个环地设置并且具有在径向内部弯曲的圆周面，其中弓形段沿圆周方向在两端通过径向的第一端面限定，并且在弓形段上在径向外部的区域内设置一轴向突出的凸肩，其在径向内部通过一切向的密封面限定。本发明还涉及一种包括一这样的多体式密封环的压力密封体和密封装置。

背景技术

活塞式压缩机，特别是以双作用的构造方式，在气缸中需要曲柄侧的压缩室的沿往复运动的活塞杆5的密封，在气缸中存在随时间变化的(高的)气缸压力P_zyl。典型地必须相对于曲柄箱中存在的(低的)环境压力p_u实现该密封。用于这样的密封装置4中的各密封元件称为密封环6、7并且设置于一所谓压力密封体2中，通常包括多个密封环6、7，如示例性在图1的传统的实施形式中所示的。各密封元件在此可以跟随活塞杆5的不可避免的横向运动，而不丧失其密封作用。为了提高压力密封体2的使用寿命和可靠性，在压力密封体2中串联多个这样的密封环6、7。在一密封装置4中通常接连排列多个压力密封体。这样的压力密封体2或密封装置4由现有技术以不同的实施形式是充分已知的，例如由GB 928 749 A或US 1 008 655 A。

密封环6、7是自激活的密封体，其为了足够的密封作用，因此充分小的泄漏，通常需要一定的待密封的压力差p₁-p₂(图1c)。在一密封腔3中的气体压力在一密封环6、7的待密封的间隙中从较高的水平p₁降到下一密封腔3中的较低的水平p₂。图1c示意示出在密封环6、7与活塞杆5之间形成的密封间隙中的这样的压降。关于密封环6、7的效能对该密封间隙起着重要的作用，因为活塞杆5与环6、7之间的接触面的相对运动引起密封环6、7的磨损。该环磨损通常要求剖分的环形式，其在该环/活塞杆密封间隙处的材料磨耗时能够实现环自动的连续的调整。对此工业标准是径向的和切向剖分的环6、7，其成对地装入压力密封体的密封腔中，以便相互覆盖发生的对接间隙以补偿磨损，如图1b中示意示出的。这样的径向/切向剖分的环组合是单一作用的密封体，其只向十字头的方向密封，而在活塞式压缩机1的曲柄侧的重新膨胀阶段的过程中各径向切口确保，可以没有较高的压力封入密封体中。在剖分的环形式中众所周知地通常采用沿外圆周卷绕的螺旋弹簧(环形弹簧：Umfangfeder)9，其在无压力的状态下也将密封环6、7压到活塞杆5上。

特别在较高的压力时在传统的装置中也可以在活塞杆5与密封壳体或腔圆盘10之间形成的间隙中产生密封环6、7的值得一提的挤压。为了最大可能避免这样的挤压，可以在环在低压侧面上与腔圆盘10之间使用附加的金属的面状地接触活塞杆5的支承环8，如例如在US3 305 241 A中公开的。

在一径向和一切向剖分的密封环的组合中向活塞杆那边的密封基本上只通过切向剖分的密封环来实现，其各弓形段通过切向的通口在磨损时可以移到一起并因此保留密封作用。径向剖分的密封环基本上只用于在轴向和径向的方向密封切向的密封环的磨损间隙。径向的密封环只一直磨损到各弓形段在圆周方向彼此靠紧。因此径向和切向剖分的各密封环磨损是不同的。为了防止径向剖分的和切向剖分的密封环相互相对旋转，其可能导致不再覆盖切向剖分的密封环的磨损间隙并因此会丧失密封作用，必须在各环之间设置一防转装置。一种这样的防转装置通常构成为销，其插入在径向和切向剖分的密封环中的配置的孔隙内。但由于径向和切向剖分的各密封环的不同的磨损，这样的销随着连续的磨损经受一越来越大的剪切负荷，这经常导致销断裂并从而不再防转，并且接着也可能丧失密封装置的密封作用。

在现有技术中因此已建议，不设置由一径向和一切向剖分的密封环的密封环组合，而只是设置一唯一的密封环。为了一方面即使在不可避免存在的磨损的情况下不丧失相对活塞杆的需要的密封作用并且沿轴向和径向的方向也可以确保充分的密封，为此需要多个特别部分的密封环。由US 2 208 976 A和US 4 350 349 A已知这样的密封环。其中描述一种六体式密封环包括多个径向剖分的弓形段，它们通过一环形弹簧保持在一起。在各弓形段之间沿圆周方向形成径向的磨损间隙。为了密封这些磨损间隙，在每一弓形段上设置一轴向突出的凸肩，其在径向内部通过一切向密封面限定。因此在这些凸肩之间形成一轴向空隙。为了在轴向和径向的方向密封磨损间隙，将密封段嵌入该空隙中，密封段以切向的端面贴紧在切向的密封面上并且覆盖磨损间隙。这些密封段通过另一环形弹簧保持在一起。对此不仅弓形段而且密封段为了向活塞杆那边的密封基本上(除不可避免的磨损间隙外)沿全圆周贴紧活塞杆。但这样的密封环的问题在于，弓形段和密封段经受不同的磨损。弓形段在其外径上受高压侧的高气体压力作用，而在其内径上已作用一通过密封段降低的较小的气体压力。类似如在径向/切向剖分的环对中因此弓形段比密封段更快地磨损，从而在磨损上并未最好地充分利用完全供使用的环材料。这样的不均匀的磨损率还导致一直更多地降低各切向的密封面之间的单位面积压力，直到或长或短的时间以后不再提供足够的密封作用并且通过密封环的泄漏变成不可接受地大。

发明内容

因此本发明的目的是，消除这样的密封环的上述缺点，特别是降低这样的密封环的磨损和通过这样的密封环的泄漏，并因此提高这样的密封环的使用寿命。

按照本发明这样达到该目的，即在密封段上设置一轴向的突出部，其沿轴向方向在突出部的区域内加宽密封段的径向内部的弯曲的圆周面，并且突出部沿圆周方向看在弓形段的各端之间和为了形成第一磨损间隙而与弓形段的各端间隔开距离设置。借此在密封段上沿轴向方向为磨损提供较多的材料。因此在保持相同的单位面积压力时(由于作用在外圆周面上的压力)，可以很有效地降低密封段的磨损。在一个这样的实施形式中各弓形段只再沿一小的区域贴紧在待密封的构件上并且基本上只再用于在各密封段之间的磨损间隙的密封。

有利地，在密封段上在其沿圆周方向看的各端各设置一个切向的端面和一径向的第二端面，其中各切向的端面贴紧在各邻接的弓形段的各切向的密封面上并且径向的各第二端面为了形成一第二磨损间隙相互面对和彼此间隔开距离设置。在这样的设置中达到，各密封段，除形成的磨损间隙外，沿全圆周贴紧在待密封的构件上，并且从而基本上密封段承担对待密封构件的密封。

特别有利的是，将多体式密封环设计成四体式，包括两个弓形段和两个密封段，其中各弓形段和各密封段分别对置地设置并且各密封段的径向内部的圆周面除第一磨损间隙外形成一封闭的圆周面。这样的对称的两体式剖分结构产生一种磨损图，在其中两个密封段径向向内移动，从而在密封段中心发生最大的磨损，亦即在最大材料厚度的区域内，而在两个沿圆周方向看的密封段末端上密封段的刚度导致一较小的磨损。借此还进一步降低磨损。此外借此使各切向的密封面之间的密封不会随着渐增的磨损而变差，因为相应彼此靠紧的切向的密封面在整个的使用寿命中位于一个平面内，因此各切向的密封面始终均匀地相互贴靠。另一方面密封段在其两个沿圆周方向看的密封段末端由于其(基本上)保持不变的刚度而没有很大的磨损，这与密封段的较小磨损一起也阻止切向的密封面的敞开。

为了减小对于磨损重要的压紧力(借其将密封段压在待密封的构件上)，并从而降低磨损，为了压力平衡在一密封段的径向内部的圆周面上有利地设置一环形槽，其经由一凹槽在第二磨损间隙的区域内与密封段的一径向的第二密封面连通。

为了减小密封段倾斜的倾向，在一密封段的径向内部的圆周面上有利地设置一高压槽，其经由一凹槽与密封环的外圆周面连通或经由一凹槽在第二磨损间隙的区域内与密封段的径向的一第二密封面连通，并且在高压槽与轴向的突出部之间设置一低压槽，其经由一凹槽与密封环的远离轴向突出部的端面连通。

如果在弓形段和密封段中在具有轴向突出部的端面上设置一径向的阶梯，则提供另一种结构上的特征，以便通过有针对性地造成弓形段和密封段的一定的径向弯曲刚度使这些段以足够单位面积压力不仅贴靠在待密封的构件上而且贴靠在切向的密封面上。通过这样的径向阶梯，弓形段的沿圆周方向的各端一方面不再完全结合于弓形段，借此弓形段可以更好地贴靠在待密封的构件上并因此可以更好地密封密封段的切口。另一方面借此密封段的各端同样是较柔性的，这使密封环关于密封状况对可能出现的形状偏差是不敏感的。密封段在密封段中心的支承并不因此受到损害。

附图说明

以下借助示意示例性示出、非限制性的和有利的实施形式的图1至10描述本发明。其中：

图1 一已知的传统的密封装置包括一径向和一切向剖分的密封环；

图2 一按照本发明的密封环的三维视图；

图3 一这样的密封环的分解图的不同视图；

图4 一包括压力平衡的密封环的分解图的不同视图；

图5 同时形成的压力分布；

图6 包括可选的压力平衡方案的一密封环；

图7 同时形成的压力分布；

图8和9 在一按本发明的密封环上的连续磨损的示意图；以及

图10 一按本发明的密封环的另一实施形式。

具体实施方式

多体式密封环11的一优选的实施形式以一四体式环的形式示于图2中。相同的密封环为了更好的理解以分解图的不同视图示于图3a和3b中。以下描述参照图2和3。

密封环11在这里包括四个部件，即两个弓形段12和两个密封段14，它们形成一个环并紧密地彼此靠紧。在弓形段和密封段12、14的外圆周面上可以制出一环形槽15，在其中可以设置一环形弹簧用以使各个段保持在一起。两个弓形段12及密封段14分别对置地设置。

弓形段12在径向内部具有一弯曲的、通常为圆形的圆周面16，其在密封环11的使用中紧密地贴紧在待密封的构件上，在这里即贴紧在压缩机的活塞杆上。在弓形段12上在弓形段12的径向外部的区域内还设置一轴向突出的凸肩18，其在径向内部通过一切向的密封面19限定。在切向的密封面19与圆周面16之间由此在端面上也形成一径向的第一密封面13。在圆周方向上看弓形段12在两端通过径向的第一端面17限定。

密封段14在径向内部同样具有一弯曲的、通常为圆形的圆周面21，其在密封环11的使用中紧密地贴紧在待密封的构件上，在这里即贴紧在压缩机的活塞杆上。密封段14沿圆周方向看在其两端通过一径向的第二端面22和一切向的端面23限定。在密封段14上还设置一轴向的突出部24，其在径向内部沿轴向方向延长密封面21。该轴向突出部24在此设置在与弓形段12的轴向凸肩18相反的端面上。沿圆周方向看突出部24只沿密封段14的一部分延伸并且在两端通过径向的第三端面25终止。因此沿圆周方向形成一阶梯。在各径向的第三端面25与密封段14的各端之间因此在端面上形成一径向的第二密封面26。

在组装的状态下邻接的密封段14的切向端面23紧密地贴紧在一弓形段12的切向密封面19上。此外邻接的密封段14的径向的第二密封面26紧密地贴紧在弓形段12的径向的第一密封面13上。对此各密封段14的各径向的第二端面22对置地设置并形成一磨损间隙30。因此两个密封段14的内圆周面21除磨损间隙30外几乎是封闭的。各密封段14的轴向突出部24设置在各弓形段12的末端之间。邻接的弓形段和密封段12、14的各径向的第一端面17和各径向的第三端面25在此相互面对和彼此间隔开距离设置以便形成一径向的第一磨损间隙31。两个磨损间隙30、31因此设置在密封环11的不同的端面上。通过弓形段12和密封段14的这样的设置，多体式密封环11不仅在径向的方向而且在轴向的方向并且在内圆周面上也相对于待密封的构件、例如活塞杆密封。

但密封环11并不限于四体式的环，而也可以由多于四个部件、例如六个部件或八个部件构成，其中各个弓形段12和密封段14的实施形式和各个段的配合作用类似于以上所述。

在本发明的密封环11上也可以很简单地实现一种压力平衡，如图4中借助一四体式密封环11的实例所示的那样。在这里在密封段14的内圆周面21上制出一环形槽40，其在所示的实例中沿圆周方向在密封段14的两个径向的第三端面25之间延伸并且在第二磨损间隙31的区域内径由一凹槽41与密封段14的径向的第二密封面26连通。因此在磨损间隙31中作用的压力也作用于环形槽40中。以下借助图5描述同时形成的压力分布。

多体式密封环11设置于一密封腔3中，例如再次在两个轴向并排的腔圆盘10之间构成的那样(类似于图1)。在此各密封段14的轴向突出部24面向具有高压p₁的侧面。密封环11又通过高压p₁被紧密地压向密封腔3的低压侧的壁。在径向外圆周面上高压p₁作用到密封环11上并且将其紧密地压向活塞杆5。通过环形槽40与第一磨损间隙31的连通并从而与具有高压p₁的空间的连通，高压p₁同样作用于环形槽40中。在环形槽41与低压侧之间压力被降到低的压力p₂。借此可以减小密封环11与活塞杆5之间作用的单位面积压力并因此降低磨损。

参照图6和7说明压力平衡的另一种可能性。在该实施形式中，在圆周面21中在径向的第三端面25与径向的第二端面22之间设置一环形槽64。该环形槽64在第二磨损间隙31的区域内经由一凹槽65与密封段14的径向的第二密封面26连通，从而在环形槽64中作用有在磨损间隙31中作用的压力。这样的环形槽64在此可以设置在密封段14的沿圆周方向看的两端上。该环形槽64的作用如同以上对图4和5描述的那样。但由于在内圆周面21上出现的压力分布，一密封环11随着一这样的压力平衡倾向于增大倾斜并且增大一与其联系着的不均匀的磨损。为了减小倾斜倾向，在密封段14的内圆周面21中在轴向突出部24的区域内设置一高压槽60，其经由一径向凹槽61、优选一简单的孔，与密封环11的外圆周面连通，从而在外圆周面上作用的压力也施加于高压槽60。可选择地，代替一径向凹槽61，高压槽60在第二磨损间隙31的区域内也可经由一第二轴向凹槽与密封段14的径向的第二密封面26连通。在高压槽60与轴向突出部24(实际是轴向突出部24的端面)之间还设置一低压槽62，其经由一轴向凹槽63，在这里即两个沿圆周方向在高压槽60旁边设置的轴向槽，与密封环11的远离轴向突出部24的端面连通，从而在该端面上作用的压力也施加于低压槽62中。由图7可得知该高压槽和低压槽60、62的作用。在密封环11的外圆周面上再次作用高压p₁并因此经由凹槽61在高压槽60中也作用高压p₁。在高压槽60与有高压p₁的侧面之间设置的低压槽62经由凹槽63与低压p₂的侧面连通，从而在低压槽62中同样存在低压p₂。借此在内圆周面21上作用的压力在低压槽62的区域内下降，以便接着再次升到高压p₁。因此这样的压力分布通过有助于压力平衡的环形槽64抵抗密封段14的倾斜。

但高压槽和低压槽60、62在密封段14的内圆周面21上的设置取决于一用于压力平衡的环形槽40、64的设置。因此可以设置高压槽和低压槽60、62而没有环形槽40、64。

随着持续的磨损，各密封段14移到一起，如图8中借助一六体式密封环11所示的那样并且由箭头说明的那样，其中虚线表示渐增的磨损。由于磨损，在这样的密封环11中密封段14的各端越来越薄并从而失去刚度。在一四体式的密封环中，如上所述，各密封段14在磨损时同样径向移到一起，如图9中所示，不过在这里各密封段14的各端仍保留其厚度，并且从而各端的刚度基本上不改变。由此磨损在密封段中心，亦即在轴向突出部24的区域内是最大的。由于在那里提供充足的材料厚度供使用，借此可以降低磨损。

在密封环11的另一有利的实施形式中，在轴向突出部24的端面上在密封环11的径向外部的区域内设置一径向的阶梯70，如图10中所示。借此一方面轴向凸肩18不再连贯地连接于弓形段12，而凸肩18的各端71是自由的。另一方面密封段14借此在轴向突出部24的区域内构成为易弯曲(biegeweicher)的。通过构成这样的径向的阶梯，提供另一结构上的特征，以便通过有针对性地造成各段12、14的一定的径向弯曲刚度来改善密封作用。

Claims (9)

1.一种多体式密封环，包括多个弓形段(12)和多个密封段(14)，它们紧密地彼此靠紧和形成一个环地设置并且具有在径向内部弯曲的圆周面(21)，其中弓形段(12)沿圆周方向在两端通过径向的第一端面(17)限定，并且在弓形段(12)上在径向外部的区域内设置一轴向突出的凸肩(18)，该凸肩在径向内部通过一切向的密封面(19)限定；其特征在于，在密封段(14)上设置一轴向的突出部(24)，该突出部沿轴向方向在轴向的突出部(24)的区域内加宽密封段(14)的在径向内部的弯曲的圆周面(21)，并且轴向的突出部(24)沿圆周方向看在弓形段(12)的各端之间和为了形成第一磨损间隙与弓形段(12)的各端间隔开距离设置。

2.按照权利要求1所述的多体式密封环，其特征在于，在密封段(14)上在其沿圆周方向看的各端各设置一切向的端面(23)和一径向的第二端面(22)，其中各切向的端面(23)贴紧在邻接的弓形段(12)的各切向的密封面(19)上，并且各径向的第二端面(22)为了形成一第二磨损间隙(30)相互面对和彼此间隔开距离设置。

3.按照权利要求1或2所述的多体式密封环，其特征在于，轴向的突出部(24)沿圆周方向通过径向的第三端面(25)限定，并且邻接的弓形段和密封段(12、14)的径向的第一端面(17)和第三端面(25)为了形成第一磨损间隙(3)相互面对和间隔开距离设置。

4.按照权利要求1至3之一项所述的多体式密封环，其特征在于，多体式密封环(11)设计成四体式的，包括两个弓形段(12)和两个密封段(14)，其中各弓形段和密封段(12、14)分别对置地设置，并且各密封段的在径向内部的圆周面(21)除第二磨损间隙(30)外形成一封闭的圆周面。

5.按照权利要求1至4之一项所述的多体式密封环，其特征在于，在一密封段(14)的径向内部的圆周面(21)上设置一环形槽(40、64)，该环形槽经由一凹槽(41、65)在第一磨损间隙(31)的区域内与密封段(14)的一径向的第二密封面(26)连通。

6.按照权利要求1至5之一项所述的多体式密封环，其特征在于，在一密封段(14)的径向内部的圆周面(21)上设置一高压槽(40)，该高压槽经由一凹槽(61)与密封环(11)的外圆周面连通或经由一凹槽在第二磨损间隙(30)的区域内与密封段(14)的一径向的第二密封面(26)连通，并且在高压槽(60)与轴向的突出部(24)之间设置一低压槽(62)，该低压槽经由一凹槽(63)与密封环(11)的远离轴向的突出部(24)的端面连通。

7.按照权利要求1至6之一项所述的多体式密封环，其特征在于，在弓形段(12)和密封段(14)中，在具有轴向的突出部(24)的端面上在径向外部的区域内设置一径向的阶梯(70)。

8.包括按照权利要求1至7之一项所述的多体式密封环的压力密封体，所述密封环设置在一密封腔(3)中，其中各密封段(14)的轴向突出部(24)面向具有高的压力(p₁)的侧面。

9.在压缩机的活塞杆(5)与压缩机壳体之间的密封装置，包括多个轴向并排的压力密封体(2)，所述压力密封体分别包括按照权利要求1至7之一项所述的多体式密封环(11)，所述密封环设置在一密封腔(3)中，其中各密封段(14)的轴向突出部(24)面向具有高的压力(p₁)的侧面。

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