CN102597583B - 适用于有大平移的流体环形密封系统 - Google Patents

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Abstract

一种环形密封系统，通过带圆周外表面(19)的转轮(20)和设于该圆周外表面(19)周围的密封圈(6)将高压区(4)与低压区(3)密封隔离。该密封系统包括多个沿该圆周外表面(19)独立设置的凹槽组(24a-24c)。每个凹槽组(24a-24c)进一步包括至少两个凹槽(21)。当转轮(20)沿着与转轮(20)的旋转方向大致垂直的基线移向密封圈(6)时，每个凹槽组(24a-24c)内至少有一个凹槽(21)将高压区(4)的流体传到密封圈(6)上，以产生一个举力。当转轮(20)因涡轮发动机内部环境而发生轴向移动时，不管转轮(20)与密封圈(6)的相对位置如何，连续传到密封圈(6)上的流体可确保在它们之间形成一层薄膜。

Description

适用于有大平移的流体环形密封系统
技术领域
本发明通常涉及一种由密封圈和转轮组成的环形密封系统，其中转轮可相对于密封圈作大幅度的轴向平移。具体来说，本发明包括多个位于转轮圆周外、沿转轮旋转方向平行或倾斜设置的液压槽。进一步地，液压槽包括多个独立设在转轮周面上的凹槽组。每个凹槽组均包括至少两个凹槽，不管密封圈与转轮相对位置如何，凹槽都可以单独或共同对密封圈内径施加一个流体举力。
背景技术
外壳包含很多应用，有些外壳带有多个贯穿有旋转件的内腔，并且其中某个内腔还需要通过密封方法与另一个内腔相隔离。例如，在燃气涡轮机的应用中，就必须将外壳润滑舱中的润滑油和毗邻油封的液体或气体分割开来。这点在旋转轴经常从润滑油这侧穿到流体那侧时，显得尤其关键。在飞机发动机中，油盘油封用于将外围的高压大气区，例如煤气区，与气压较低的潮湿油盘区，如润滑油区，分割开来。油盘油封可以防止润滑油从低压油舱中漏出，并最大限度地降低热气从高压区流入潮湿油舱的速度。
润滑油从润滑油侧泄漏并进入煤气侧，会对设备性能造成不利影响。在飞机发动机的案例中，润滑油从油封外漏进入高温煤气侧，可能会导致石油焦化或发动机起火。更具体地说，当飞机使用的是油基润滑剂时，石油与煤气的混合可能会导致石油焦化，或使石油副产品被加热到高温状态，从而改变石油的化学成分，对燃气涡轮机造成不利。石油焦化还会污染油封的表面，并阻止润滑舱内的轴承正常润滑。因此，不仅仅是在飞机发动机中，在类似应用中，将润滑油密封在润滑舱内并使其无法从旋转轴周围的油封处泄漏，同样是很重要的。此类应用中的油封可以包括环形密封或面型密封；不过，上述案例一般使用的是环形轴封。
环形密封一般是指一种被广泛应用的密封设备，特别是在飞机发动机领域上应用更多。图1a和图1b示出了一种设于转轮2旁边的标准密封装置1，密封装置1的两侧分别是低压区3和高压区4。该密封装置1将密封圈6固定在转轮2周围，该密封装置1包括密封外壳5、扣环7、后板8、多个设于密封圈6周围的压缩弹簧9、螺旋弹簧10、空腔43以及抗旋转插销14。设于密封圈6上的支撑垫片11与转轮20可在密封半径15内构成环形密封，该支撑垫片11可包括一个底部封闭的内孔槽26和孔槽挡板13，从而提高密封性能。设于密封圈6上的第二表面12可在密封外壳5上进行表面密封。
图2a和图2b分别是一个标准环形垫片16的表面视图和内径视图。多个环形垫片16可组成一个密封圈6。每个环形垫片16主要由碳和/或石墨制成，并被环绕在转轮2周围，由此构成一个连续的相对静止的密封圈6。每个环形垫片16包括一个舌片17和一个接合片18，该接合片18用于将两个相邻的环形垫片16接合起来，以防止泄漏。相关技术公开的密封圈6在其内径上设有一个或多个底部封闭的凹槽或类似结构。相关技术并没有沿图1a所示的转轮2的圆周外表面上设置这种凹槽。
目前，大多数环形密封都是图1a、1b、2a、2b所示的环形密封的变种，主要用于解决低压液体舱和高压气体舱之间的密封需求。举一个例子，发明人波普在公开号为5145189的美国专利中公开了一种带浅槽的密封圈，该密封圈可以将高压气体重新引入到多个较深的排气槽中。在另一个例子中，发明人黄某在公开号为6145843的美国专利中公开了一种带浅槽的密封圈，该密封圈利用加压舱使流体进入高压区。
在密封圈内径上设置凹槽会带来一些问题，特别是在性能更高的涡轮发动机中问题更多。首先，密封圈通常由碳石墨组成，容易造成表面磨损，从而损坏浅层液压槽。其次，上述发动机的内部结构和运行环境经常会导致转轮沿发动机的轴向作大幅平移。例如，在一些应用中由转轮引起的轴向平移的幅度可能有四分之一英寸。由于传统的凹槽都排列在轴向位置上，转轮和密封圈之间的大幅相对移动，将使凹槽内的液体不受控制地排出凹槽。其结果会使凹槽对转轮所施加的流体举力减少或消失。举力的强度不够大，更容易使转轮和密封圈发生接触。而任何这种接触都会磨损密封圈的内径表面，并随着时间的推移降低凹槽的深度和性能。
根据以上讨论显而易见，现有技术不包括一种环形密封，使得转轮既可以大幅轴向平移，又不会影响密封系统性能。现有技术也不能解决内径上带凹槽的密封圈的性能问题。
因此，需要提供一种环形密封，实现当转轮出现大幅移位时，密封圈和转轮间的举力不受影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种转轮大幅平移时密封圈和转轮间的举力不受影响的环形密封。
根据本发明的一个实施例，环形密封系统通过带圆周外表面的转轮和密封圈可以将高压区与低压区密封隔离，该密封圈包括多个设于圆周外表面上的环形垫片。该密封系统包括多个独立设于圆周外表面上的凹槽组。每个凹槽组包括至少两个凹槽。当转轮沿着与自身旋转方向垂直的基线移向密封圈时，每个凹槽组内至少有一个凹槽通过高压区内的流体对密封圈施加一个举力。
在其他实施例中，每个凹槽组包括多个沿转轮旋转方向倾斜或大致平行设置的凹槽。
在另一实施例中，每个凹槽组包括一个补给槽，用于给其他凹槽传送流体。该补给槽和其他凹槽垂直或倾斜设置。
在又一实施例中，相邻凹槽组之间的凹槽可以在数量、布局上有所不同，从而各凹槽可沿圆周外表面偏移设置。
在进一步的实施例中，每个凹槽组内的凹槽可以有不同的长度或被设置在圆周外表面上，从而确保转轮平移发生前至少有其中一个凹槽可以将举力传到密封圈内径上，转轮发生平移时至少有另一个凹槽可以将举力传到密封圈内径上。
在进一步的实施例中，间隔的凹槽组可以将举力传到密封圈上，或至少一个凹槽组可以将举力传到每个环形垫片上。
本发明具有以下几个优点：本发明可确保在转轮移向密封圈时，每个凹槽组内至少有一个凹槽位于密封圈各环形垫片和转轮之间的重叠区上，从而流体举力可连续传送到密封圈各环形垫片上。无论密封圈和转轮相对位置如何，只要加压流体持续对密封圈施加举力，便可确保转轮轴向平移时在密封圈和转轮之间形成一个薄膜。本发明将液压槽设在比密封圈更耐磨的转轮外径上，因此可以延长密封系统寿命。
附图说明
为了使本发明的区别技术、特征和优点变得更容易理解和显而易见，说明书中将结合以下附图对本发明进行说明，其中：
图1a是现有技术设于涡轮发动机内的转轮旁的环形密封装置的剖视图；
图1b是图1a所示的现有环形密封装置的局部放大剖视图；
图2a是现有技术环形密封上的环形垫片的一个侧视图；
图2b是设于图2a所示环形垫片上的舌片和接合片的外部纵向视图；
图3是本发明实施例中设于转轮旁边的环形密封的剖视图；
图4是本发明实施例中阐明设于图3所示转轮圆周外表面上的液压槽位置的局部放大截面图，该液压槽沿转轮的旋转方向平行设置；
图5是本发明实施例中阐明设于图4所示转轮圆周外表面上的液压槽布局的内部纵向视图，液压槽包括多个凹槽组，每个凹槽组包括多个与补给槽垂直连接的平行凹槽；
图6是本发明实施例中阐明设于图5所示转轮上的带补给槽的液压槽侧面结构的截面图；
图7是本发明实施例中阐明设于转轮圆周外表面上的液压槽布局的内部纵向视图，液压槽包括多个凹槽组，每个凹槽组包括多个与补给槽斜向连接的平行凹槽；
图8本发明实施例中阐明设于图3所示转轮圆周外表面上的液压槽位置的局部放大截面图，该液压槽沿转轮的旋转方向倾斜设置；
图9是本发明实施例中阐明设于图8所示转轮圆周外表面上的液压槽布局的内部纵向视图，液压槽包括多个凹槽组，每个凹槽组包括多个与转轮旋转方向呈一定角度设置的平行凹槽；
图10是本发明实施例中阐明设于图9所示转轮上的液压槽侧面结构的截面图；
图11a是本发明实施例中阐明转轮平移前圆周外表面上的液压槽布局的内部纵向视图，其中液压槽包括多个凹槽组，每个凹槽组包括多个与转轮旋转方向呈一定角度设置的平行凹槽，密封圈包括一个孔槽挡板和内孔槽；
图11b是阐明图11a所示转轮平移后、液压槽和密封圈布局的内部纵向视图；
图12是本发明实施例中液压槽内部的优选压力场的曲线图；以及
图13是本发明实施例中设于转轮圆周外表面上的密封圈和液压槽的受力分析示意图。
具体实施方式
现在结合附图通过本发明的几个最佳实施例进行详细说明。附图使用相同/相似的序号来表示相同/相似的部件或步骤。附图采用缩略图，并不表示精确的尺寸。
现在请参考图3-4，所示的环形密封系统包括一个内部带密封圈6的密封装置1，该密封圈6设于转轮20周围，与转轮20相邻。该密封装置1和密封圈6可以包括各种现有技术公知的结构设计。因此，所述环形密封系统适用于各种带旋转件的发动机，所述旋转件贯穿于彼此隔离的各隔间。
此外，所述环形密封系统也适用于发动机的低压环境和气压反转环境中。在高级燃气涡轮发动机的特定飞机环境中，油箱侧的气压可能会高于密封舱侧的气压，这会导致可观的燃油泄漏。当气压反转发生时，液压槽会产生比油箱侧更高的气压，从而可以阻止燃油从孔槽挡板13中泄漏。因此，在气压反转期间，当油箱侧与密封舱侧的气压差为负值时，空气会不断地从密封舱侧进入油箱。
在本发明中，转轮20可以包括多个隐藏于转轮圆周外表面上的类似口袋的凹槽21。该凹槽21可直接设于转轮20的结构内部，或设于转轮圆周外表面19外加的涂覆层22上。
在一些实施例中，在圆周外表面19的端面37内藏入涂覆层22可能比较有利。该涂覆层22最好是一种可通过现有技术添加的坚硬耐磨材料。例如，涂覆层22可以是由碳化钨组成的通过火焰喷涂在圆周外表面19上的厚度为0.003到0.005英寸的均匀涂层。凹槽21和/或端面37可以通过现有技术已知的机械、模铸或成型方法设在转轮20或涂覆层22内。
现在请参考图4-5，转轮20周围每隔一个间隔24设有凹槽21，多个凹槽21构成不同的凹槽组24a-24c。然而，在一些实施例中，当每个凹槽组24a-24c内的第二末端40被倾斜或偏移放置时，相邻的凹槽组24a-24c可能会重叠或交叉在一起，但互不连通。虽然图5显示的是三个凹槽组24a-24c，但应该理解可以设置很多类似凹槽在转轮20周围。因此，凹槽组24a-24c的总数取决于具体应用和设计。
每个凹槽组24a-24c内的凹槽21长度可以相同或不同，并且可以按各种非平行和平行方式排列。每个凹槽组24a-24c分别将来自高压区4的流体引到密封圈6上。此外，每个凹槽组24a-24c内的每个凹槽21也可独立将流体引到密封圈6上。
请再次参考图5，凹槽21被大致平行地设置在转轮20的圆周外表面上。凹槽21之间具有一个分开的间隔44，各个凹槽组24a-24c上以及各个相邻凹槽21之间和/或上的间隔44可以有所不同。该圆周外表面19上设有一个补给槽23，该补给槽23与各凹槽21的第一末端39相交，从而补给槽23和各凹槽组24a-24c内的各凹槽21之间可以形成一个连续的通路。如图5所示，该补给槽23可以与各凹槽21垂直相交，或者按图7所示方式倾斜相交。每个补给槽23的入口41最好朝向高压区4，从而便于流体从高压区4进入补给槽23，然后再进入各凹槽21。在优选的实施例中，通过控制手段，密封圈6和转轮20之间的流体可以排放到低压区3内。
凹槽组24a-24c的总数部分取决于密封圈6和转轮20的大小，环形垫片16的个数，每个环形垫片16的长度，每个凹槽组24a-24c内凹槽21的个数和放置角度，每个凹槽21的长度、深度和宽度，需要将流体引到密封圈6或各环形垫片16下面、用以维持转轮20和密封圈6间所需举力的凹槽21个数，相邻凹槽组24a-24c间的凹槽21重叠或偏移情况，以及转轮20的最大平移距离。
该圆周外表面19上的各凹槽组24a-24c内的凹槽21个数可以相同或不同。如图5所示，凹槽组24b具有三个凹槽21，凹槽组24a和24c具有两个凹槽，凹槽组24b设于凹槽组24a和24c之间；然而，也可以采用其他设置。在另一概括实施例中，置于凹槽组24a-24c之间的凹槽21个数可以不同，由此，凹槽组24b可以设置x个凹槽21，与其相邻的凹槽组24a，24c设置x+y个凹槽，其中x和y是大于0的整数。
如图5所示，置于凹槽组24a-24c之间的凹槽21可以偏移一定位置，以保证流体可沿着凹槽的完整传输路径被传送到密封圈6上。凹槽所偏移的幅度取决于具体设计，并且相邻凹槽组24a-24c内的一个或多个凹槽21间相互可以不重叠或部分重叠。
转轮20的轴向平移可以由不稳定状态、条件、温度、或其它影响因素所引起。一般而言，这种平移是沿着与转轮20的旋转轴大致平行或垂直的方向进行的，图5示出了沿旋转轴垂直方向进行的平移。为了容易理解，覆盖区是指圆周外表面19上紧挨密封圈6或环形垫片16下部的区域。初始覆盖区33是指转轮20启动时密封圈6或环形垫片16与转轮20之间的覆盖区域。在该实施例中，密封圈6或环形垫片16可以覆盖外侧凹槽组24a，24c内最靠右的凹槽21和中间凹槽组24b内的右边两个凹槽21。因此，在该特定位置上的凹槽21可以将流体传到密封圈6或环形垫片16上。在转轮20平移至其最大移动距离35时，密封圈6或环形垫片16覆盖转轮20上以最终覆盖区34表示的区域。在最终覆盖区上，密封圈6或环形垫片16可以覆盖外侧凹槽组24a，24c内最靠左的凹槽21和中间凹槽组24b内的左边两个凹槽21。因此，在该特定位置上的凹槽21可以将流体传到密封圈6或环形垫片16下面。转轮20在初始覆盖区33和最终覆盖区34之间平移时，通过一个或多个凹槽组24a-24c内的其他凹槽21组合，流体可被传送到密封圈6或环形垫片16下面。根据最大移动距离35的幅度，初始覆盖区33和最终覆盖区之间可以重叠或不重叠。
现在请参考图4-6，图中示出了优选凹槽21和补给槽23的侧视图。所示的凹槽21基本上呈现出线状延伸结构，具有一长度28、一均匀的深度27和一均匀的宽度31；然而，凹槽21的深度27和宽度31可以逐渐变化，从而凹槽21可能会是锥形或其他形状。凹槽21沿长度28方向可以是非线性或弓形的结构。凹槽21的第二末端40可以为三角形、长方形、扁平的或圆形的结构，圆形的结构如图5所示。优选地，凹槽的尺寸包括但不限于：深度27在0.000010到0.010英寸之间，宽度31在0.010到1.000英寸之间，长度28在0.100至10.000英寸之间，间隔44在0.010到1.000英寸之间。
补给槽23基本上也呈现出线状延伸结构，具有一长度32、一均匀的宽度30和一均匀的深度29；然而，补给槽23的深度29和宽度30也是可以逐渐变化的，从而补给槽23可能会是锥形或其他形状。补给槽23在长度方向上也可以是非线性结构或弓形结构。虽然图示的补给槽23具有弧形末端，但其他形状也是可行的。优选地，补给槽的尺寸包括但不限于：深度29在0.000010到0.010英寸之间，宽度30在0.010到1.000英寸之间，长度32在0.100至10.000英寸之间。
现在请参考图8和图9，在转轮20的圆周上设有多个可构成不同凹槽组24a-24c的凹槽21，相邻凹槽组24a-24b，24b-24c之间的凹槽相互重叠和接触。虽然图9示出了三个凹槽组24a-24c，但应当理解可以有更多的类似结构被设置在转轮20的圆周附近。因此，所述凹槽组24a-24b的总数取决于具体应用和设计。
转轮20可以包括多个隐藏于转轮圆周外表面上的类似口袋的凹槽21。该凹槽21可直接设于转轮20的结构内部，或设于转轮圆周外表面19外加的涂覆层22上。在一些实施例中，在转轮圆周外表面19的台面37内藏入涂覆层22可能比较有利。该涂覆层22最好是一种可通过现有技术添加的坚硬耐磨材料。
每个凹槽组24a-24c内的凹槽21长度可以相同或不同，并且可以按各种非平行和平行方式排列。每个凹槽组24a-24c分别将来自高压区4的流体引到密封圈6上。此外，任一凹槽组24a-24c内的每个凹槽21也可独立将流体引到密封圈6下面。
在图9中，凹槽21被大致平行地设置在转轮20的圆周外表面19上。凹槽21之间具有一个分开的间隔44，各个凹槽组24a-24c上或者各个相邻凹槽21之间和/或上的间隔44可以有所不同。在该实施例中，凹槽21所处的位置与转轮20的旋转方向之间具有一个角度25，从而各凹槽21的第一末端39基本对准圆周外表面19一侧并朝向高压区4。通过这种排列方式，流体可以从高压区进入各凹槽21内。各凹槽21的第二末端40朝向低压区3，从而各凹槽21可以停靠在离高压区4具有一定距离的不同位置上。通过这种排列方式，当转轮20发生平移时，各凹槽组24a-24c内的一个或多个第二末端40可以将流体传送到密封圈6或环形垫片15上。在优选的实施例中，通过控制手段，密封圈6和转轮20之间的流体可以排放到低压区3内。所述凹槽组24a-24b的总数取决于具体应用和设计。
圆周外表面19上的各凹槽组24a-24c内的凹槽21个数可以相同或不同。在图8中，凹槽组24b具有三个长度不同的凹槽21；然而，也可以采用其他设置方式，包括但不限于具有不平行的多个凹槽21，凹槽21的末端采用带尖角或无尖角的形状。
在该实施例中，初始覆盖区33可以是转轮20启动时密封圈6或环形垫片16与转轮20之间的覆盖区域。在一个实施例中，密封圈6或环形垫片16可以覆盖最靠右的两个凹槽21的一部分。因此，在该特定位置上的凹槽21可以将流体传到密封圈6或环形垫片16上。在转轮20平移至其最大移动距离35时，密封圈6或环形垫片16可以覆盖转轮20上以最终覆盖区34表示的区域。在最终覆盖区上，凹槽组24a-24c内最靠左的凹槽21可以覆盖密封圈6或者一个或多个环形垫片16，从而密封圈6或环形垫片16对准第二末端40。因此，在该特定位置上的凹槽21可以将流体传到密封圈6或环形垫片16上。转轮20在初始覆盖区33和最终覆盖区34之间平移时，通过中间的凹槽21或者通过一个或多个凹槽组24a-24c内的其他凹槽21组合，流体可被传送到密封圈6或环形垫片16上。根据最大移动距离35的幅度，初始覆盖区33和最终覆盖区之间可以重叠或不重叠。
现在请参考图9-10，图中示出了优选凹槽21的侧视图。所示的凹槽21基本上呈现出线状延伸结构，具有一长度28、一均匀的深度27和一均匀的宽度31；然而，凹槽21的深度27和宽度31可以逐渐变化，从而凹槽21可能会是锥形或其他形状。凹槽21在长度28方向上可以是非线性结构或弓形结构。凹槽21的第二末端40可以为三角形、长方形、圆形的或扁平的结构，后面两种结构分别如图9和11a所示。优选地，凹槽的尺寸包括但不限于：深度27在0.000010到0.010英寸之间，宽度31在0.010到1.000英寸之间，长度28在0.100至10.000英寸之间，间隔44在0.010到1.000英寸之间。
现在请参考图11a-11b。在图8-9所示的本发明另一实施例中，转轮20的圆周外表面19上包括多个可构成凹槽组24a-24c的凹槽21，各个凹槽21以基本平行的方式错开设置、互不重叠。在这个实施例中，凹槽21所处的位置与转轮20的旋转方向之间具有一个角度25，从而各凹槽21的第一末端39基本朝向高压区4。通过这种排列方式，流体可根据密封圈6的位置从高压区4进入各凹槽21内。各凹槽21的第二末端40朝向低压区3，从而各凹槽21可以停靠在离高压区4具有一定距离的不同位置上。进一步地，第一末端39和第二末端40被削成尖端形，从而第二末端40的最左侧边及第一末端39的最右侧边平行于密封圈6的侧边。这种排列方式确保转轮20在平移期间，各凹槽组24a-24c内的一个或多个第二末端40可以将流体传送到密封圈6或环形垫片15上。
在这个实施例中，通过设置初始覆盖区33，图11b中的密封圈6或环形垫片16上的支撑垫片11、内孔槽26和孔槽挡板13可以覆盖图11a-11b所示的最右边三个凹槽21的一部分，从而对准第二末端40。因此，至少最右边两个凹槽21可以将流体传到密封圈6或环形垫片16上。转轮20开始平移后，支撑垫片11、内孔槽26和孔槽挡板13可以覆盖转轮20上以最终覆盖区34表示的区域。在最终覆盖区上，各凹槽组24a-24c内的最左边两个凹槽21可以覆盖支撑垫片11，从而支撑垫片11可对准第二末端40。因此，在该特定位置上的凹槽21可以将流体传到密封圈6或环形垫片16上。转轮20在初始覆盖区33和最终覆盖区34之间平移时，支撑垫片11、内孔槽26和/或孔槽挡板13可以与各凹槽组24a-24c内的一个或多个凹槽21交互，从而流体可被传送到密封圈6或环形垫片16上。
在一些实施例中，凹槽21的长度45，即凹槽21的有效宽度46应等于或小于密封圈6上至少一个支撑垫片11的宽度，以便转轮轴向平移时可以在某一点上切断从高压区4到低压区3的流体的传输路径。这种安排可以防止凹槽21一旦处于密封圈6下面或被其覆盖时，高压进入凹槽21的高压末端。
现在请参考图12，图12是以凹槽21几乎完全被密封圈6或一个或多个环形垫片16覆盖为条件，沿凹槽21长度28方向上测定的流体优选压力图。在这个实施例中，第一末端39所受压力接近于零或等于外围压力值，沿凹槽21的长度28方向凹槽所受压力逐渐增大，直到第二末端40达到最大值。在其他实施例中，当最初是密封圈6或环形垫片16覆盖凹槽21时，压力最小值可能会出现在凹槽21上的某个其他位置。在又一其他实施例中，根据密封圈6或环形垫片16与转轮20之间的接口情况、一个或多个凹槽21的尺寸或其他因素，该压力图可能是非线性的。
一般来说，密封圈6或一个或多个环形垫片16需要沿着凹槽21的长度28方向充分覆盖凹槽21，以使转轮20传给密封圈6或环形垫片16的举力达到最大值。当凹槽21被部分覆盖时，凹槽21也可以传递足够的举力到密封圈6或环形垫片16上，使其覆盖凹槽21的第二末端40的相邻区域。当凹槽组24a-24c内的各凹槽21长度不同时，每个凹槽组24a-24c内至少一个凹槽具有足够的长度，用于保证转轮20平移前转轮20和密封圈6间能产生举力，并且至少另一凹槽具有足够的长度，用于在转轮20沿其平移路径平移时维持所述举力。凹槽21也可以分开设置在转轮圆周外表面19上，从而至少一个凹槽21可以保证平移前转轮20和密封圈6之间能产生举力，至少另一个凹槽21可以在转轮20穿过其平移路径时维持所述举力。
所述的环形密封系统可以将来自高压区4的流体直接引入圆周外表面19上的多个凹槽组24a-24c内。之后，当转轮20沿着与其旋转轴基本垂直的基线移向密封圈6时，流体可从每个凹槽组24a-24c内的至少一个凹槽21传送到密封圈6上。这种流体可以形成一层薄膜，该薄膜足以在密封圈6上产生一个举力，从而将密封圈6从圆周外表面19上移开。在一些实施例中，这种举力可以由间隔的凹槽组24a-24c内的至少一个凹槽21所产生。
现在请参考图13，图13通过图表示出了本发明应用在图1a、1b所示的组件中时，作用在密封圈6周围的以F1到F9表示的平衡力，该平衡力可以在密封圈6和转轮20之间产生流体运转环境。
沿轴向方向上的载荷条件主要包括四个部分。密封圈6右侧包括由高压区4产生的压力F1和由压缩弹簧9施加的压力F2。密封圈6左侧包括反作用于第二表面12上密封外壳5和密封圈6之间的接口压力F3，以及由表面挡板产生的压力F4。压力F1和F2之和应该大于压力F3和F4之和，从而使密封圈6能牢固倚靠在密封外壳5的轴向位置上。
沿径向方向上的载荷条件主要包括五个部分。密封圈6的外圆周上包括由高压区4的加压流体产生的压力F5和由螺旋弹簧10施加的压力F6，该高压区4处于密封圈6和密封外壳5之间的空腔43内。密封圈6的内圆周上包括由支撑垫片11周围的高压区4产生的压力F7，由孔槽挡板13底部产生的压力F8，以及由所述凹槽21传到密封圈6上的流体所产生的压力F9。在稳定条件下，压力F5和F6之和应该等于或小于压力F7、F8和F9之和，从而当从高压区4到低压区3的流体流量达到最小值时，密封圈6可以与旋转中的转轮20保持一定距离。在不稳态条件下，压力F5和F6之和应该小于压力F7、F8和F9之和，从而转轮启动时密封圈6可被外力推开，与旋转中的转轮20分离，并且转轮关闭时密封圈6可移向转轮20，最终与转轮20接触。流体密封时是通过一个薄膜进行的，并且凹槽不接触密封圈，以延长密封寿命，减少热量产生，并减少或排除涡轮发动机中的含油转轮20的冷却需求。
以上说明示出了本发明所提供的多种灵活性强的实施方式。尽管说明书中通过一些特定的最佳方案详尽地描述了本发明的各种实施方式，但也可采用其他方案。因此，本发明的附属权利要求不应局限于上述最佳方案所包含的内容。
工业适用性
通过以上说明显而易见，本发明的环形密封系统及其相关改进，可以保证系统在可大幅相对轴向平移的接口上仍能维持密封性能。本发明预计可用在与外壳有关的应用中，这种外壳包括很多内腔，旋转件贯穿在内腔中，并且其中一个内腔需要通过密封方法与另一个隔离。一个具体的非限定的例子包括涡轮发动机。

Claims (23)

1.一种环形密封系统，用于通过带圆周外表面的转轮和包含多个环形垫片的密封圈将高压区与低压区密封隔离，所述环形垫片设于所述圆周外表面的周围，其特征在于包括：
多个沿所述圆周外表面独立设置的凹槽组，每个所述凹槽组包括至少两个凹槽，当所述转轮沿着与所述转轮旋转方向大致垂直的基线移向所述密封圈时，每一个所述凹槽组内至少有一个凹槽将来自所述高压区的流体传送到所述密封圈上，所述流体在所述密封圈和所述转轮之间产生一个举力。
2.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：至少一个所述凹槽组内的所述凹槽呈基本平行的设置。
3.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：每个所述凹槽组进一步包括一个补给槽，所述补给槽将所述流体传送到各个所述凹槽内。
4.根据权利要求3所述的环形密封系统，其特征在于：所述补给槽垂直于所述凹槽组内的凹槽。
5.根据权利要求3所述的环形密封系统，其特征在于：所述补给槽相对于所述凹槽组内的凹槽呈角度设置。
6.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：相邻的所述凹槽组含有的凹槽数量不同。
7.根据权利要求6所述的环形密封系统，其特征在于：具有x个凹槽的所述凹槽组被相间放置在具有x+y个凹槽的所述凹槽组之间，其中的x和y是大于0的整数。
8.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：相邻的所述凹槽组之间的所述凹槽被偏移设置。
9.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：至少一个所述凹槽组内的所述凹槽平行于所述转轮的旋转方向。
10.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：至少一个所述凹槽组内的所述凹槽相对于所述转轮的旋转方向倾斜设置。
11.根据权利要求10所述的环形密封系统，其特征在于：所述凹槽的长度，即所述凹槽的有效宽度应等于或小于密封圈支撑面的宽度，以中断从所述高压区进入所述低压区的所述流体的传输路径。
12.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：每个凹槽组内的所述凹槽具有不同的长度或被设置在所述圆周外表面上，从而至少有一个凹槽具有足够的长度，使得在所述转轮平移前产生所述举力，并且至少有另一个凹槽具有足够的长度，使得在所述转轮平移时产生所述举力。
13.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：最多每隔一个所述凹槽组，就有至少一个可将所述流体传送到所述密封圈上的凹槽。
14.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：至少一个所述凹槽组将所述流体传送到所述环形垫片上。
15.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：所述密封圈包括一个孔槽挡板和一个与所述圆周外表面相邻的内孔槽。
16.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：所述密封圈被设置在一个密封装置中。
17.根据权利要求1所述的环形密封系统，其特征在于：所述环形密封系统被设置在一个涡轮发动机中。
18.根据权利要求17所述的环形密封系统，其特征在于：使用在涡轮发动机内的所述环形密封系统，能够在出现低压或反转气压条件时防止泄露。
19.一种通过带圆周外表面的转轮和设置在所述圆周外表面上的含有多个环形垫片的密封圈将高压区与低压区密封隔离的方法，其特征在于方法包括以下步骤：
(a)将流体从高压区引入多个独立设置于所述圆周外表面上的凹槽组内，每个所述凹槽组包括至少两个凹槽；
(b)当所述转轮沿着与所述转轮旋转方向大致垂直的基线移向所述密封圈时，将所述流体从各个所述凹槽组内的至少一个凹槽中传送到所述密封圈上；
(c)借助含有所述流体的密封圈所产生的举力，所述密封圈相对于所述圆周外表面作径向移动。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：每个凹槽组内的所述凹槽具有不同的长度或被设置在所述圆周外表面上，从而至少有一个凹槽具有足够的长度，使得在所述转轮平移前产生所述举力，并且至少有另一个凹槽具有足够的长度，使得在所述转轮平移时产生所述举力。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：至少有一个所述凹槽将所述流体传送到所述环形垫片之下。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：最多每隔一个所述凹槽组，就有至少一个可将所述流体传送到所述密封圈下的凹槽。
23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：至少有一个所述凹槽组将所述流体传送到所述环形垫片之下。
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