CN101438085B - 具有热稳定接合环的机械密封件 - Google Patents

Abstract

一种用于在壳体部件(20)与旋转轴(66)之间密封的密封组件(10)。该密封组件包括限定密封交界面的一对相对旋转环(34，44)。一个环(44)相对于壳体部件固定。柔性压缩密封件(48)轴向压缩在壳体部件与轴向移动的偏置压缩环(46)之间，以紧压其与所述固定环上的柱形表面相径向压缩密封接触。

Description

具有热稳定接合环的机械密封件

依照美国专利法第119条，本申请要求了2006年4月6日递交的美国临时申请No.60/789,860的优先权。

技术领域

本发明涉及一种机械端面密封组件。更具体地说，本发明涉及一种具有热稳定接合环的高温机械端面密封组件。

背景技术

泵，尤其是那些精炼厂和化工厂中的泵，通常操作难以密封的、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不希望的产品泄漏。

机械端面密封组件是已知的，并为产品泄漏的成功解决方案。在具有壳体和延伸的旋转轴的泵中，机械端面密封组件被广泛运用于密封液体。密封组件通常包括一对环形密封环，该对环形密封环限定一对相对可旋转的环形密封表面，该对环形密封表面被紧压在一起以限定密封交界面。这些密封环通过装配部件被支撑在轴和壳体上。一个密封环，即主环，能在轴向移动，并通过压缩弹簧或金属波纹管被紧压为与其它密封环，即接合环，的面对面接触，该接合环被固定以防止相对于壳体的轴向运动或旋转运动。

密封组件可包括单一密封件，串列密封件或双密封件，其中缓冲流体压力以高于被密封的过程流体的压力被供应，从而防止过程流体穿过密封环端面泄漏。这种机械密封件可从伊利诺斯州莫顿格罗夫的约翰克兰公司(John CraneInc.，Morton Grove，Illinois)获取，并在公开号为5,901,965和5,954,341的美国专利中公开，其公开内容通过引用被合并于此。本发明为在对公开号为5,901,965和5,954,341的美国专利中类型的机械密封件的改进。

图1示出传统(现有技术)的用于在壳体1020和旋转轴1016之间密封的固定高温机械密封组件1010。尽管其它的密封结构，例如双密封、串列密封或三密封结构，在现有技术中也已知，但图1的机械密封组件1010具有单一密封结构。

机械密封组件1010包括连接至壳体1020的压盖板1022。机械密封组件1010进一步：包括与旋转轴1016旋转地移动的主环1034，和被固定以防止旋转运动的接合环1044。

主环1034和接合环1044限定了有互相啮合关系的径向延伸的密封端面1040和1058。主环1034过盈配合在罩1036中。波纹管1038把罩1036和主环1034推向接合环1044。

接合环1044包括径向向外延伸的盘部1046。接合环1044的盘部1046定位于限定在压盖板1022上的环形槽1072内。

由不锈钢和柔性石墨形成的螺旋缠绕的副密封件1048也定位于限定在压盖板1022上的环形槽1072中。在安装位置，螺旋缠绕的副密封件1048位于接合环1044的盘部1046与壳体1020之间。

一系列轴向延伸的紧固件1028将压盖板1022紧固至壳体1020。副密封件1048和接合环1044的盘部1046在压盖板1022和壳体1020之间被轴向地定位。收紧紧固件1028将副密封件1048和接合环1044的盘部1046轴向夹紧，以将接合环1044轴向和径向地紧固。尽管，这种配置能有效地将接合环1044紧固至压盖板1022和壳体1020，但接合环1044的盘部1046上的夹紧力的施加可使接合环1044的密封端面1058变形。

图2示出另一传统(现有技术)的用于壳体1120和旋转轴1116之间密封的固定高机械密封组件1110。机械密封组件1110包括连接至壳体1120的压盖板1122。机械密封组件1110进一步包括：与旋转轴1116旋转地移动的主环1134，和被固定以防止旋转运动的接合环1144。

主环1134和接合环1144限定了有互相啮合关系的径向延伸的密封端面1140和1158。

接合环1144包括径向向外延伸的盘部1146。接合环1144的盘部1146定位于限定在压盖板1122上的环形槽1172内。

两个螺旋缠绕的副密封件1148和1149也定位于限定在压盖板1122上的环形槽1172中。在安装位置，一螺旋缠绕的副密封件1148位于接合环1144的盘部1146与壳体1120之间。另一螺旋缠绕的副密封件1149位于接合环1144的盘部1146与压盖板1122之间。

轴向延伸的紧固件1128将压盖板1122紧固至壳体1120。两个副密封件1148和1149和接合环1144的盘部1146在压盖板1122与壳体1120之间被轴向地定位，收紧紧固件1128将副密封件1148和接合环1144的盘部1146轴向夹紧，以将接合环1144轴向和径向地固定。类似于图1中的机械密封组件1010，接合环1144的盘部1146上的夹紧力的施加可使接合环1144的密封端面1158变形。

图3示出传统(现有技术)的用于在壳体1220和旋转轴1216之间密封、并具有串列密封结构的两个密封件的固定高机械密封组件1210。机械密封组件1210包括：暗藏于壳体1220中的内侧密封件1212，以及外侧密封件1214，所述内向密封件和外侧密封件共同作用以相对于壳体1220密封轴1216。机械密封组件1210进一步包括：内侧压盖板1222、外侧压盖板1224和压盖衬套1226。

内侧密封件1212包括：与旋转轴1216旋转地移动的主环1234，和被固定以防止旋转运动的接合环1244。主环1234和接合环1244限定了有互相啮合关系的径向延伸的密封端面1240和1258。接合环1244包括径向向外延伸的盘部1246。接合环1244的盘部1246定位于限定在内侧压盖板1222上的环形槽1272和限定在压盖衬套1226中的环形槽1227中。

两个螺旋缠绕的副密封件1248和1249也定位于限定在内侧压盖板1222和压盖衬套1226上的环形槽1272和1227中。在安装位置，一螺旋缠绕的副密封件1248位于接合环的盘部1246与内侧压盖板1222之间。另一螺旋缠绕的副密封件1249位于接合环1244的盘部1246与压盖衬套1226之间。

一系列轴向延伸的紧固件1228将两个压盖板1222和1224紧固在一起。两个副密封件1248和1249和接合环1244的盘部1246轴向定位在内侧压盖板1222与压盖衬套1226之间。收紧紧固件1228将副密封件1248和1249以及接合环1244的盘部1246轴向夹紧，以将接合环1244轴向和径向地紧固。类似于图1和图2中的机械密封组件1010和1110，接合环1244的盘部1246上的夹紧力的施加可使接合环1244的密封端面1258变形。

从压盖板至接合环端面的变形传递问题是众所周知。美国石油研究院(API)在其第二版的标准682(参见第36页、第6.1.4.1段和图21)中禁止使用夹紧的接合环。本发明消除了这种问题。

机械密封组件中另一问题与系统的压力反向相关。如果副密封件在径向上尺寸不合适，系统压力反向将会导致副密封件泄漏。因此重要的是将副密封件配置为保持密封关系。此外，API要求在加压双重密封应用中配置3密封件应设计为在反向压力操作过程中保持闭合(第49页，第7.3.1.2段)。

附图说明

图1是传统(现有技术)的机械密封组件的横截面图。

图2是另一传统(现有技术)的机械密封组件的横截面图。

图3是具有串列密封结构的传统(现有技术)的机械密封组件的横截面图。

图4是体现本发明原理的机械密封组件的横截面图。

图5是图4的机械密封组件的接合环和压缩环的放大横截面图。

图6是图4的机械密封组件的接合环和压缩环的放大横截面图，其中显示横截面接合环区域的第二力矩的优选位置。

图7是体现本发明原理的可选的机械密封组件的横截面图，该组件利用弹簧垫圈和弹性O型环副密封件。

图8是体现本发明原理的可选的机械密封组件的横截面图，该组件利用L型弹簧。

图9是体现本发明原理的可选的机械密封组件的横截面图，其中来自副密封件的径向接触应力的中心接近接合环的旋转中心。

图10是体现本发明原理的可选的机械密封组件的横截面图，该组件利用由卡环保持在槽中的金属球。

图11是体现本发明原理的推进式密封机械密封组件的横截面图。

具体实施方式

体现本发明原理的机械密封组件的所示实施例消除了接合环上的轴向夹紧力。这种配置将弹簧的轴向力传递至压缩环，压缩环依次地导致柔性可压缩的密封，从而将径向密封力施加在接合环上。因此，在安装后，与现有技术的配置相比，这些接合环能够提供极大增强的端面稳定性。这些实施例允许使用高强度、高温材料，典型地在精炼厂运用中的严格的密封环境里，该材料具有良好的抗腐蚀性。

体现本发明原理的所示实施例中的接合环具有双压力能力，其可在外径或内径位置以更高压力运行/阻挡液体。压力反向能力通过接合环副密封直径相对于旋转密封件的液压平衡直径的位置而被提供。

该密封组件可适用于诸如精炼蒸馏单元中在高温腐蚀环境下工作的泵的应用中的宽范围温度极限。所示实施例的接合环适用于需要独立、高强度旋转密封件的应用。这种应用包括：

温度极限：       -100℉至800℉

压力极限：       单层波纹管时300磅平方英寸的压差(psid)，

多层波纹管时，大于300磅平方英寸(psid)(外压或内压

能力，并能够承受反向压力)。

端面速度极限：    5,000英尺/分(fpm)(旋转配置)

流体特性：        腐蚀的或非腐蚀的

图4和图5例示了根据本发明原理的高温、金属波纹管、机械密封组件10。该机械密封组件包括串列结构的两个机械端面密封件12和14。旋转轴16延伸穿过壳体20的孔(未示出)。机械密封组件10将轴16紧靠壳体20密封，以使壳体20内的过程流体不渗漏到壳体外的大气中。由于下述部件为环形，为了方便，仅例示机械密封组件的一半。应理解的是，完整的密封组件，在轴16的中心线或轴线18下方被示出，作为已示的密封组件半部的镜像。

在图4中示出的示例性机械密封组件10中，该机械密封组件包括：最靠近壳体20中的受压流体的内侧密封件12，以及外侧密封件14。所述密封件共同作用，在轴16和壳体20之间密封。

术语内侧指的是朝向被密封装置的壳体内的受压流体。术语外侧指的是远离被密封装置中的受压流体。应注意的是，描述实施例所使用的术语轴向的和轴向地指的是纵向地沿轴16的轴线18。描述实施例所使用的术语径向的和径向地指的是在与轴16的轴线18大致垂直的平面中朝向和远离该轴线。

内侧和外侧密封件12和14为串列结构。在仍利用本发明的原理时，还可用其它的密封结构替代。例如，密封结构可为单一、双重或三重密封。

机械密封组件10包括：限定密封组件固定部分的一系列压盖板。它们限定了围绕所述轴的环形密封腔23。

压盖板被紧固至泵或者密封组件为其容纳流体的其它设备的的壳体。压盖板为设备的壳体部件的延伸部。还有被包括在设备壳体与压盖板之间的中间壳体。

在图4的实施例中，密封组件包括与壳体20相连的内侧压盖板22和外侧压盖板24。压盖衬套26径向位于压盖板22和24以内。该压盖衬套被锁于内侧和外侧压盖板上的轴向止挡部27之间。其未被轴向地夹紧。也就是说，其轴向长度小于止挡部之间的轴向距离。

诸如螺栓28的轴向延伸紧固件被用于将压盖板22和24紧固在一起，并将其紧固至壳体20。

内侧压盖板22包括：径向向内延伸的压盖唇缘66。其限定径向定向的环形密封表面68。其还限定径向定向的环形压缩表面76和轴向延伸的柱形表面74。压盖衬套26包括：径向定向的环形偏置接触表面77。

内侧密封件12和外侧密封件14位于密封腔23中，并在轴16和压盖板22、24以及压盖衬套26之间。

轴套30被固定至轴16，并限定密封组件的旋转构件，并支撑密封组件的旋转部件。轴套30轴向延伸到大气中。内侧密封件12包括：固定至轴套30的主环组件32。主环组件32包括：主环34，和与主环34过盈配合的外壳36。波纹管38被焊接至外壳36，并向外偏压或紧压主环34。主环34限定径向延伸的密封端面40。

内侧密封件12进一步包括：被固定以防止相对于压盖板旋转运动的接合环组件42。如图5详细所示，接合环组件42包括：接合环44、压缩环46、以柔性石墨副密封件或填料48为形式的柔性压缩件、径向扁平衬垫50，以及以弹簧52为形式的偏置构件，弹簧52将压缩环46朝内侧压盖板22的压盖唇缘66的径向定向的环形压缩表面76偏置或紧压。

接合环44包括：径向延伸的法兰部54，和轴向延伸的环形套筒部56。接合环44的法兰部54限定与主环34的密封端面40接合的径向延伸的密封端面58。波纹管38紧压密封端面40和58使其具有相对旋转密封关系。

接合环44的套筒部56限定轴向延伸的外柱形密封表面60。固定至压盖板22的径向延伸销62于形成在接合环44的法兰部54的外直径处的槽64中接合接合环44。旋转力由旋转端面40与固定端面58之间的摩擦力形成的施加扭矩产生。销62防止接合环44相对于压盖板62的旋转。

可为柔性石墨环的径向扁平衬垫50，位于内侧压盖板22的压盖唇缘66的径向延伸密封表面68与接合环44的径向延伸表面70之间。扁平衬垫50用于消除接合环44的法兰部与压盖唇缘66之间的直接接触，从而防止在压盖唇缘表面68上或在与密封端面58相对的接合环表面70上存在任何不满足扁平条件(out-of-flat conditions)的变形。扁平衬垫50并不用作副密封件，但如果其确实提供密封功能，其也不会改变本发明的运行。

压缩环46位于由压盖板22的径向定向环形压缩表面76与轴向延伸的柱形表面74所限定的环形槽72中。压缩环46限定向内径向延伸表面78、轴向延伸的外表面80以及轴向延伸的内表面82。压缩环46的径向延伸表面78紧邻但隔开内侧压盖板22的径向定向环形压缩表面76。压缩环46的轴向延伸的外表面80紧邻内侧压盖板22的轴向延伸表面74，并径向地在其以内。压缩环46的轴向延伸的内表面82紧邻并隔开接合环44的轴向延伸的外柱形表面60。轴向表面80和82的直径尺寸使压缩环46相对于压盖板22和接合环44的轴向延伸的环形套筒部56能轴向地移动。

压缩环46进一步限定环形槽84。压缩环槽84由轴向延伸的柱形限制或压缩表面85与径向定向的环形压缩表面83所限定。环46还包括径向定向的环形偏置接触表面87。

柔性副密封件48定位于压缩环46的环形槽84中。在其安装位置，柔性副密封件48围绕接合环44的轴向延伸的套筒部56的柱形表面60。柔性副密封件48被设置在压盖唇缘66的径向定向的环形压缩表面76与压缩环46的向内径向定向的压缩表面85之间。

如图4和图5所示，机械密封组件10利用由设置在压缩环46的向外径向定向的环形偏置接触表面87与压盖衬套26的径向定向的环形偏置接触表面77之间的弹簧52所施加的轴向负载，以将柔性石墨副密封件48压缩紧靠内侧压盖板22的压盖唇缘66的径向定向的环形压缩表面76。所述弹簧负载通过压缩环46被传递至柔性石墨副密封件48。压缩环46沿副密封件48的外直径处的轴向延伸表面85和压缩环46的径向定向的压缩表面83接触柔性石墨副密封件48。由弹簧52提供的轴向负载，施力使柔性石墨副密封件48密封接触内侧压盖板22的径向定向表面76。另外，柔性石墨副密封件48上的轴向力在柔性石墨副密封件48与接合环44之间形成径向力。该径向负载施力使柔性石墨副密封件48密封接触接合环44的轴向延伸的环形部56的外柱形表面60。因此，轴向弹簧力通过压缩环46和柔性石墨副密封件48而其作用，在内侧压盖板22的唇缘66上形成了轴向负载，并且在接合环44上形成了径向力，并且在表面76和60上产生了足够的接触压力(Pcon)，以密封施加的流体压力。

可能的是，由柔性石墨副密封件48施加在接合环44上的径向力还可足以抵抗密封端面40和58处的施加扭矩。如果能产生足够的力，将不需要诸如销62的抗旋转装置。

弹簧52还用于容纳累积的部件公差。该公差的累积在总体设计中是主要需要考虑的事项。除了其他部件外，柔性石墨副密封件48的大公差由于过大，从而不能允许刚性部件来控制施加于柔性石墨副密封件48的轴向力。弹簧52还被设计为在最大空腔条件下提供在所有密封表面上产生最小的Pcon所必须的轴向力。另外，其在最小空腔条件下提供受控的最大力。

弹簧材料还需要与环境兼容，并具有适当的材料性能以控制用于可利用空间的负载。典型地，高强度、高温、时效硬化的镍合金被用作弹簧材料。铬镍铁合金(Inconel)718为合适的材料。

高温接合环需要使用高温副密封件来密封产品或阻挡液体，以防止接合环与压盖板之间的到大气的泄漏。最常用于该副密封件48的材料为柔性石墨，模锻环。这些环由柔性石墨带所制成，所述带卷绕成所述带的宽度的环状环并被压缩成模锻环。

这些副密封件需要施加力来实现密封。由于模压成形处理不产生具有一致材料和物理性质(即，密度、泊松比、力/变形行为)的环，因此在不同压力时用于密封所需的外加力难以预测。可执行经验性试验，从而确定适于具有给定几何形状和密度的柔性石墨环的临界特性。根据此数据，荷载变形行为可被预测。例如，径向力可被确定为给定的施加轴向力，和密封给定产品压力所需的Pcon。

示出实施例的配置消除了在其它更传统设计中的直接施加在接合环44上的夹紧力。弹簧52提供的轴向力将副密封件48紧靠内侧压盖板22的压盖唇缘66的径向延伸表面76。没有轴向力直接施加在接合环44上，从而消除由非轴对称应力(即压盖螺栓应力)造成的端面变形的传递。

压缩环46用于容纳在限定了槽84的两个表面83和85上的柔性石墨副密封件48。压缩环46用于将弹簧轴向力传递至柔性石墨副密封件48，使其与密封接触内侧压盖板22上的径向定向的环形压缩表面76。另外，压缩环46在其直径处容纳柔性石墨副密封件48，并施力使柔性石墨副密封件48径向向内与接合环44的外柱形表面60密封接触。

如图4和图5所示的机械密封组件10，能够最小化或消除端面变形，该端面变形是由于接合环与压盖之间的热膨胀系数(CTE)的不同，由沿轴向延伸的副密封表面的径向接触压力的松弛造成的(如同多数传统设计)。这可通过使压缩环46由与形成接合环44和内侧压盖板22的材料类似的材料，或具有类似CTE的材料形成而实现。压缩环46仅接触副密封件48和弹簧52。兼容材料的组合在副密封件48上形成不变的轴向挤压，而与温度无关。优选的是，压缩环46和接合环44由相同的材料制成。如果压缩环46和接合环44由不同的材料(即具有不同CTE的材料)支撑，由于材料需要兼容，任何一种材料的CTE不应大于另一材料的CTE的两倍(2X)。一种这样的兼容材料组合可以是，接合环44由固态碳化硅或碳/碳化硅的复合物形成，且压缩环46由固态碳化硅形成。通过选择适于接合环44和压缩环46的类似的材料结构，即使出现具有不同CTE的不同材料，温度的改变也不会影响柔性石墨副密封件径向腔。随着温度改变，副密封件48的受控径向腔，允许接合环密封端面58保持平坦。所需最小的径向接触压力(Pcon)被保持，而不管温度怎样。

通过选择适于具有紧密配合CTE的接合环44和压缩环46的材料结构，副密封件48上的理想径向挤压可在广泛的操作温度范围内保持。一旦预加载和装配了弹簧52，因为腔的尺寸不会由于相对的热生长而改变，所以相对于温度变化的恒力透过柔性石墨副密封件48被传递至压盖唇缘66和接合环44。接合环44并不直接接触内侧压盖板22。在接合环44与压缩环46之间以及在压缩环46与内侧压盖板22之间有间隙。接合环44仅接触柔性石墨副密封件48和扁平衬垫50。

接合环44通过柔性石墨副密封件48与接合环44的柱形外表面60之间的摩擦而被保持在适当的位置，并由接合环44与压盖唇缘66之间的扁平衬垫50所支撑。由弹簧52提供在压缩环46上的轴向负载沿轴向和径向控制Pcon。最小的轴向负载根据经验确定，以使柔性石墨副密封件48具有用于密封所有密封表面(径向和轴向)所需的最小Pcon。弹簧52被设计为在最大腔尺寸时提供最小的负载，以及在最小腔尺寸时提供受控的最大负载。

由于压盖紧固件28通过内侧压盖板22传递至接合环44的夹紧力被消除。副密封件48通过弹簧52沿轴向施力紧靠压盖唇缘66。弹簧52被设计为提供最小的力，从而在整个操作温度范围内密封外加压力(轴向上和径向上)，并容纳部件的公差累积。

来自弹簧52提供的轴向力的合成轴向力紧压副密封件48，以沿接近波纹管平均有效直径，或平衡直径与接合环44相密封接触。通过最小化用于使接合环移动或移位的压力，将接合环密封直径选择为接近平衡直径允许了外或内压力的操作。接合环上的力的自由体分析显示，所述力处于平衡状态(即，接合环在外直径或内直径受压时在压盖唇缘66处保持抵靠扁平衬垫50)。

机械密封组件10能够具有双重压力操作(即外压或内压)。通过将接合环的密封直径接近波纹管平均有效直径，压力被视为“平衡”，从而允许接合环在外压和内压时对扁平衬垫和压盖唇缘具有微小的净正向固定力。

在此实施例中，接合环44的密封直径Ds为外柱形表面60的直径。其被设计为如图4所示的接近波纹管38的平均有效直径EDz。波纹管的有效直径或“ED”为假想直径，外加压力有效穿透该直径，从而在密封件上施加闭合力。这类似于推进式密封件的“平衡直径”。该平均有效直径为密封环上施加零压差时的理论有效直径，其可被视为波纹管中心外直径和内直径的算数平均。优选地，接合环密封直径Ds在零压差时为在波纹管的有效直径EDz的正负10％(+10％和-10％)的范围内。更优选地，接合环密封直径Ds在零压差时为波纹管的有效直径EDz的+6％和-6％的范围内。

优选的是，如图6所示，横截面接合环区域相对于重心轴线18的第二力矩MI(惯性运动)接近柔性石墨密封件所致压力CP的中心。特别地，优选的是，|A/B|的比小于或等于0.4，其中A为从石墨密封件48所致压力CP的中心至横截面接合环区域相对于重心轴线的第二力矩MI的轴向距离，且B为接合环44的总轴向长度。更优选的是，|A/B|的比大于或等于0.28且小于或等于0.38。

图7例示出可选的机械密封组件110，其运用弹性O型环副密封件48替代了柔性石墨副密封环，并运用一可选的弹性衬垫152。压缩环146类似于图4所示实施例的压缩环46，但包括指向压盖衬套126的轴向延伸轮缘147。压盖衬套126类似于图4所示实施例的压盖衬套26，但包括指向压缩环146的轴向延伸轮缘127。弹簧衬垫152与压缩环146和压盖衬套126的轴向延伸轮缘147和127共同将压缩环146偏置或紧压压盖唇缘66朝向内侧压盖板22。

图8示出了类似图7所示的机械密封组件110的机械密封组件210，但其利用具有L形横截面的弹簧252。图8所示的机械密封组件210的压盖衬套26包括轴向延伸轮缘227。L形弹簧252与压盖衬套26的轴向延伸轮缘227共同将压缩环146偏置或紧压压盖唇缘66朝向内侧压盖板22。

图9示出了可选的机械密封组件310，其将径向接触应力386的中心从副密封件48定位为接近接合环344的横截面重心388。图9所示的机械密封组件310类似于图4所示的机械密封组件10，但接合环344包括径向向内延伸部355，其具有的轴向长度近似等于接合环的径向向外延伸法兰部354的长度。该接合环几何形状提供了由外加应力所致的最低可能性的变形。接合环设计通过使副密封件48的接触区域接近横截面重心388，从而关于重心/旋转中心具有接近零的净力矩。然而，仅当在更大径向横截面的设备中具有足够的径向空间时才能成为可能。

图10示出了可选的机械密封组件410，其利用由卡环463保持在槽中的金属球462。图9所示的机械密封组件410类似于图4所示的机械密封组件10，但利用由卡环463保持在槽464中的金属球462，而不是销，从而将接合环444旋转地固定到内侧压盖板422。限定槽464的内侧压盖板422的凹口423和接合环444的凹口445在周界上不连续。相反，内侧压盖板422包括中断内侧压盖板凹口423的周界连续性的径向向内延伸肋(未示出)，且接合环444包括中断接合环凹口445的周界连续性的径向向外延伸肋(未示出)。随着接合环444相对于内侧压盖板422旋转，球462接合内侧压盖板422的肋和接合环444的肋，从而防止接合环444相对于内侧压盖板422的进一步旋转运动。

图11示出体现本发明原理的推进式密封型机械密封组件510。图10所示的机械密封组件510的接合环组件42与图4所示的机械密封组件10的接合环组件42相同。机械密封组件510和10的不同在于主环组件。图10所示的主环组件532为推进式密封类型。不是使用波纹管，推进式密封型主环组件510包括定位在保持件590的腔592中的螺旋弹簧538。副密封件由O型环594提供，其将主环534与轴530密封。图10所示类型的主环组件532进一步详细地描述在一般转让的美国专利No.5,529,315中，其公开内容通过引用合并于此。类似于图4所示的机械密封组件10，接合环44的密封直径Ds被设计为接近O型环的平衡直径EDz。O型环594的平衡直径类似于金属波纹管类型密封件在零压差时的波纹管的有效直径。优选地，接合环密封直径Ds在O型环的平衡直径EDz的正负10％(+10％和-10％)的范围之内。更优选地，接合环密封直径Ds在O型环的平衡直径EDz的+6％和-6％的范围之内。

本发明的各种原理已参照所示和所述的实施例进行了说明。但应理解的是，在不背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，可进行各种修改。

Claims (23)

1.一种在壳体与旋转轴之间提供流体紧密封的密封组件，所述密封组件包括：

壳体部件，其限定围绕所述轴的环形密封腔，所述壳体部件限定径向定向的环形压缩表面，以及与所述径向定向的环形压缩表面隔开的径向定向的环形偏置接触表面；

能轴向移动的主环，其能与所述轴一起旋转，并限定径向定向的环形密封端面；

接合环，其被固定以防止相对于所述壳体部件旋转，并限定径向定向的环形密封端面，所述接合环的所述密封端面限定相对可旋转的密封交界面，

所述接合环包括轴向延伸的环形部分，该环形部分限定径向设置在所述壳体部件的所述径向定向的环形压缩表面和所述径向定向的环形偏置接触表面以内的轴向延伸的外柱形密封表面；

环形压缩环，其设置在所述壳体部件的所述径向定向的环形压缩表面和所述径向定向的环形偏置接触表面之间，并且所述环形压缩环包括径向定向的环形压缩表面和径向定向的环形偏置接触表面；

环形柔性压缩件，其设置在所述壳体部件的所述径向定向的环形压缩表面与所述压缩环构件的所述径向定向的环形压缩表面之间；以及

偏置构件，其设置在所述壳体部件的所述径向定向的环形偏置接触表面与所述压缩环的所述径向定向的环形偏置接触表面之间；

所述偏置构件朝向所述壳体部件的所述径向定向的环形压缩表面紧压所述压缩环，以轴向地压缩所述柔性压缩件，并紧压所述柔性压缩件径向地接触所述接合环的所述轴向延伸的环形部分的所述轴向延伸的外柱形密封表面。

2.如权利要求1所述的密封组件，其中所述压缩环包括：与所述压缩环的所述径向定向的环形压缩表面一起形成环形槽的轴向延伸的柱形限制表面，且所述环形柔性压缩件被设置在所述槽中，并被径向压缩在所述轴向延伸的柱形限制表面与所述接合环的所述轴向延伸的环形部分的所述轴向延伸的外柱形密封表面之间。

3.如权利要求1或2所述的密封组件，其中所述壳体部件包括至少一个压盖板，且所述至少一个压盖板包括所述壳体部件的所述径向定向的环形压缩表面。

4.如权利要求3所述的密封组件，其中所述壳体部件包括：内侧压盖板、外侧压盖板和压盖衬套，所述内侧压盖板包括所述壳体部件的所述径向定向的环形压缩表面，且所述压盖衬套包括所述壳体部件的所述径向定向的环形偏置接触表面。

5.如权利要求1所述的密封组件，其中所述压缩环包括：与所述接合环的所述轴向延伸的外柱形密封表面隔开并将其围绕的向内轴向延伸的内表面。

6.如权利要求1所述的密封组件，其中所述偏置构件包括具有Z形横截面的弹簧。

7.如权利要求3所述的密封组件，其中所述偏置构件包括具有L形横截面的弹簧，并且所述至少一个压盖板和所述压缩环其中一个包括朝所述弹簧轴向延伸的轮缘。

8.如权利要求3所述的密封组件，其中所述偏置构件包括弹簧，该弹簧包括弹簧垫圈，并且所述至少一个压盖板和所述压缩环均包括朝所述弹簧轴向延伸的轮缘。

9.如权利要求2所述的密封组件，其中所述柔性压缩件由柔性石墨形成。

10.如权利要求2所述的密封组件，其中所述柔性压缩件由弹性体形成。

11.如权利要求6所述的密封组件，其中|A/B|的比值小于或等于0.4，其中A为从由所述柔性压缩件造成的压力的中心到横截面接合环区域的相对于重心轴线的第二力矩的轴向距离，B为所述接合环的总轴向长度。

12.如权利要求11所述的密封组件，其中所述|A/B|的比值大于或等于0.28且小于或等于0.38。

13.如权利要求3所述的密封组件，其中所述密封组件进一步包括轴向定位于所述接合环与所述至少一个压盖板之间的径向扁平衬垫。

14.如权利要求13所述的密封组件，其中所述径向扁平衬垫由柔性石墨制成。

15.如权利要求1所述的密封组件，其中形成所述压缩环的材料的热膨胀系数小于形成所述接合环的材料的热膨胀系数的两倍。

16.如权利要求15所述的密封组件，其中形成所述接合环的材料的热膨胀系数小于形成所述压缩环的材料的热膨胀系数的两倍。

17.如权利要求1所述的密封组件，其中所述压缩环由碳化硅形成，且所述接合环由碳/碳化硅的复合物形成。

18.如权利要求1所述的密封组件，其中形成所述压缩环的材料与形成所述接合环的材料相同。

19.如权利要求18所述的密封组件，其中所述压缩环和所述接合环由碳化硅形成。

20.如权利要求1所述的密封组件，其中所述密封组件进一步包括：紧压所述主环朝向所述接合环的波纹管。

21.如权利要求20所述的密封组件，所述波纹管限定在所述主环上施加零压差时的有效直径，并且所述接合环的所述轴向延伸的外柱形密封表面的直径在零压差时所述波纹管的所述有效直径的+10％和-10％的范围之内。

22.如权利要求20所述的密封组件，其中所述接合环的所述轴向延伸的外柱形密封表面的直径在零压差时所述波纹管的所述有效直径的+6％和-6％的范围之内。

23.如权利要求6所述的密封组件，其中所述弹簧由铬镍铁合金718制成。

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