CN107850219A - 具有波纹管元件的机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械密封装置，其包括旋转滑环(11)和固定滑环(12)，旋转滑环(11)和固定滑环(12)之间限定有密封间隙(13)，以及波纹管单元(2)，其具有波纹管元件(3)和中间盘(4)。波纹管元件(3)具有第一连接区域(31)、第二连接区域(32)和波纹管中间区域(33)。波纹管元件(3)由弹性体材料制成并且在旋转滑环(11)和旋转结构部件(10)之间提供连接。中间盘(4)配置于波纹管元件(3)和旋转滑环(11)之间，中间盘(4)具有至少一个缝(47)，缝(47)具有比缝长度(S)小的缝宽度(B)。缝(47)在一侧封闭，使得连接区域(49)保留在中间盘(4)的缝(47)的区域中。

Description

具有波纹管元件的机械密封装置

技术领域

本发明涉及一种具有波纹管元件的机械密封装置，该装置在运行期间具有改进的轴向重新调整性能。

背景技术

从现有技术的不同实施方式中已知具有波纹管元件的机械密封装置。原则上，波纹管元件能够是特别有助于在例如轴偏差的情况下的机械密封的轴向重新调整的弹性体波纹管或金属波纹管。已经发现，特别是当使用弹性体波纹管时，这可能导致机械密封装置的恶化的重新调整性能。一方面，这归因于如下事实：由于弹性体材料的柔软性，波纹管元件的支撑肩部可能粘附在轴表面等上，并因此不能足够快速地跟随轴向重新调整。如果例如在轴表面上存在可能是在运行期间由轴上的沉积物导致的污染物，则这种情况更加有可能发生。这在机械密封装置的较长运行之后可能导致完全阻碍波纹管元件的轴向移动性。此外，已经发现，即使不存在污染物，由于弹性体材料和轴之间的增大的摩擦，弹性体波纹管的支撑肩部也能够导致对与运行期间发生的振动有关的重新调整性能的阻碍。上述问题能够导致运行期间在密封间隙处的渗漏增大甚至机械密封装置的故障。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有弹性体波纹管元件的机械密封装置，该装置在其整个使用寿命中具有改进的重新调整性能，同时该装置具有简单的结构和简单、低成本的可制造性，这特别用于避免重新调整过程中发生的波纹管元件的捕获或卡住。

该目的借助于具有方案1的特征的机械密封装置来实现。从属方案示出了本发明的优选的进一步开发。

根据本发明的具有方案1的特征的机械密封装置具有显著提高旋转的弹性体波纹管元件的轴向移动性的优点。因而，能够实现机械密封装置的大大改进了的轴向重新调整性能，导致了在运行期间特别是密封机械装置的启动过程期间的大大降低了的渗漏率。根据本发明，这是通过具有波纹管单元以及独立的环形中间盘的机械密封装置实现的。波纹管元件包括用于连接至诸如旋转轴的旋转结构部件的第一连接区域，用于连接至旋转滑环的第二连接区域，以及配置于第一连接区域和第二连接区域之间的柔性波纹管中间区域。这里，波纹管元件完全由弹性体材料制成。中间盘由比弹性体材料坚硬的材料、特别是合成材料制成。这里，环形中间盘以如下方式配置于波纹管元件：中间盘的第一侧抵接旋转滑环、特别地在旋转滑环的后侧抵接旋转滑环，并且中间盘的第二侧抵接波纹管元件、特别地在第二连接区域处的波纹管的凸沿处抵接波纹管元件。这样，中间盘具有至少一个缝，该缝的缝宽度小于缝长度。这样，以如下方式在一侧封闭缝：连接区域保留在缝区域中的中间盘处。换言之，缝并非连续地设置于中间盘，而是该缝仅部分地形成于中间盘，使得中间盘的环形封闭区域仍然保留在连接区域。因此，由于在中间盘中部分设置的缝，因此如果被加热，则中间盘能够在运行期间容易地膨胀，并且随着冷却能够再收缩。这里，缝用于防止中间盘在冷却时收缩至例如轴的旋转结构部件。在缝端处的连接区域防止中间盘变宽。

特别优选的是，缝以开始于中间盘的内周的方式设置于中间盘。以此方式，中间盘的温度所致的膨胀过程和收缩过程能够通过中间盘最优地补偿。在冷却期间，减小了中间盘的内周处的缝的孔区域中的缝宽度。这里，缝防止了中间盘收缩至旋转结构部件。

特别优选的是中间盘具有恰好一个缝。以此方式，可以确保中间盘的充分的温度相关的变形能力。

优选地，缝宽度对应于连接区域的径向长度。

特别优选的是缝具有大于中间盘的径向上的环宽度的一半的缝长度。特别优选的是缝长度大于或等于中间盘的径向上的环宽度的3/4。

进一步优选的是缝宽度与缝长度的比在0.05至0.35的范围内。特别优选的是缝宽度与缝长度的比大约为0.17。

进一步优选的是缝长度与中间盘的环宽度的比在0.7至0.95的范围内。特别优选的是缝长度与中间盘的环宽度的比大约为0.85。

特别优选的是中间盘在内周处具有多个凹部。这因此导致中间盘具有带轮廓(德文：profiliert)的内周。以此方式，特别地能够实现对波纹管元件内侧区域的冲刷。

进一步优选的是，以如下方式选择中间盘的内周区域处的内径：与旋转结构部件存在距离。因而，在中间盘和旋转结构部件之间设置有环形间隙，使得流体总是能够到达波纹管元件的内部区域。此外，能够以此方式确保在所有运行状态中保证中间盘的收缩、特别是在内周区域的收缩。

这里，凹部优选地规则设置在中间盘的内周处。此外，凹部优选地具有弓形几何形状或大致矩形几何形状。

进一步优选的是中间盘在内周处具有奇数的凹部。

特别优选的是缝在一个凹部处开始延伸。

特别优选的是沿径向设置缝。

根据本发明的另一优选实施方式，波纹管单元还包括第一Z形断面角(德文：Z-Profilwinkel)和第二Z形断面角。这里，第一Z形断面角配置于第一连接区域外侧，而第二Z形断面角配置于第二连接区域外侧。这样，两个Z形断面角以环形方式形成并且具有Z形断面，Z形断面具有面向径向外侧的区域、轴向区域和面向径向内侧的区域。Z形断面角优选由金属材料制成并且另外加强弹性体波纹管元件的第一连接区域和第二连接区域。

特别优选的是，配置于第二连接区域的第二Z形断面角以如下方式配置：在机械密封装置的轴向上，第二Z形断面角终止于与第二连接区域相同的位置。以此方式，实现了第二连接区域的完全加强，使得能够特别地减小夹持长度，其中波纹管元件的第二连接区域以该夹持长度夹住旋转滑环。这导致波纹管单元的轴向长度的减小，并因此导致机械密封装置的整个轴向长度的所期望的减小。

根据本发明的另一优选实施方式，波纹管单元还包括沿轴向预张紧波纹管元件的弹簧元件。弹簧元件优选为桶形弹簧。这里，特别优选的是，以第一Z形断面角处的第一端区域和第二Z形断面角处的第二端区域支撑弹簧元件。

为了将中间盘牢固地固定于波纹管元件，波纹管元件优选具有内侧配置有中间盘的槽。以此方式，实现了将中间盘简单地安装和牢固地固定在波纹管元件处。

优选地，仅经由波纹管单元实现将旋转结构部件的扭矩引入旋转滑环。以此方式，能够提供特别紧凑的设计。

进一步优选的是，第一Z形断面角的面向径向内侧的壁区域与第一连接区域的面向波纹管中间区域的端部重叠。优选地，第二Z形断面角的面向径向内侧的壁区域与第二连接区域的面向波纹管中间区域的端部重叠。以此方式，能够实现弹性体波纹管元件以及特别是其两个连接区域的提高的刚性。

优选地，波纹管元件包括不粘涂层。

附图说明

以下，通过参照附图详细说明本发明的优选的示例性实施方式，其中相同的部件或具有相同功能的部件由相同的附图标记标示。在附图中：

图1示出了根据本发明的第一示例性实施方式的机械密封装置的示意性纵截面图,

图2示出了图1的放大细节图,

图3示出了根据本发明的第一示例性实施方式的中间盘的示意性俯视图,

图4示出了图3的中间盘的立体图,

图5示出了图3的中间盘的截面图,

图6示出了根据本发明的第二示例性实施方式的机械密封装置的示意图,

图7示出了图6的中间盘的示意性俯视图,

图8示出了图7的中间盘的立体图，以及

图9示出了图7的中间盘的示意性截面图。

具体实施方式

以下，参照图1至图5详细说明根据本发明的第一示例性实施方式的机械密封装置1。

如能够在图1中看到的，机械密封装置1包括旋转滑环11和固定滑环12，在旋转滑环11和固定滑环12之间以已知的方式限定有密封间隙13。机械密封装置1用于相对于第二空间9密封第一空间8。

旋转滑环11连接至在本示例性实施方式中是轴的旋转结构部件10，并且与旋转结构部件10一起旋转。固定滑环12连接至固定的壳体14。附图标记15表示用于相对于壳体14密封固定滑环12的辅助密封元件。

机械密封装置1还包括在旋转滑环11与旋转结构部件10之间建立连接的波纹管单元2。波纹管单元2包括波纹管元件3和单件式中间盘4。波纹管元件3由弹性体材料制成并且包括第一连接区域31、第二连接区域32以及位于两个连接区域31、32之间的波纹管中间区域33。波纹管中间区域33是柔性的并且有助于波纹管元件3在轴向X-X上的伸长和缩短。

如能够从图1中看到的，波纹管元件3是单件式结构部件并用于在旋转滑环11处提供密封。此外，波纹管单元2承担从旋转结构部件10到旋转滑环11的扭矩传输。

波纹管单元2还包括第一Z形断面角5和第二Z形断面角6。第一Z形断面角5配置于第一连接区域31的外径处。第二Z形断面角6配置于第二连接区域32的外径处。在截面中，两个Z形断面角5、6具有Z形断面。

第一Z形断面角5包括第一指向径向外侧的区域51、第一指向径向内侧的区域52和第一轴向区域53。第二Z形断面角6包括第二指向径向外侧的区域61、第二指向径向内侧的区域62和第二轴向区域63(参见图2)。这里，第一Z形断面角的第一指向径向内侧的区域52与第一连接区域31的面向波纹管中间区域33的端部重叠。第二Z形断面角6的第二指向径向内侧的区域62与第二连接区域32(参见图1)的面向波纹管中间区域33的端部重叠。这里，两个Z形断面角5、6的两个轴向区域53、63靠置在第一和第二连接区域31、32的外径上。以此方式，按压弹性体连接区域31、32。

此外，第二连接区域32的端部和第二Z形断面角6的第二指向径向外侧的区域61位于在轴向X-X上的相同位置处，因此导致平坦的端面。

波纹管元件3还包括在其内周处的凸沿34。如能够从图2看到的，中间盘4抵接正面接触面35。中间盘的内周区域40与旋转结构部件10的外周之间间隔开。结果是中间盘4的内周区域40和旋转结构部件10之间存在环形间隙48。以此方式，确保了旋转滑环11到波纹管元件3与旋转结构部件10之间的区域的连续的连接。

图3至图5示出了中间盘4的详细图示。如能够从图3看到的，多个凹部41设置于中间盘4的内周区域，凹部41扩大了波纹管元件处的通路截面。以此方式，一直维持着波纹管元件的轴向重新调整性能。

此外，中间盘4具有缝47。缝47从中间盘4的内周区域40开始向径向外侧延伸。这样，缝47并非连续地形成到中间盘4的外周区域46。连接区域49保留在中间盘处。因而，中间盘仍然具有位于外周和内周之间的材料区域，由此确保了中间盘的一定的稳定性，并防止了中间盘的任何加宽。

缝47具有宽度B和缝长度S，也就是缝宽度B与缝长度S的比大约为0.12。缝宽度B还近似对应于连接区域49的径向长度。因而，缝47的宽度B被选择为与连接区域49的宽度V相等。在本示例性实施方式中，缝47配置于两个凹部41之间的中间区域处。这里，以使缝长度与环宽度的比大约是0.9的方式选择中间盘的最大环宽度R和缝长度S。

如能够从图2看到的，环形中间盘4以如下方式配置于旋转滑环11和波纹管元件3之间：中间盘4的第一侧43抵接在旋转滑环11的后侧处，并且第二侧44抵接在波纹管元件3的正面接触面35处。中间盘4进一步具有恒定的宽度。

波纹管单元2进一步包括预张紧元件7，在本示例性实施方式中预张紧元件7是桶形弹簧。这里，预张紧元件7支撑于第一Z形断面角5和第二Z形断面角6之间，提供了波纹管单元2的永久预张紧。

通过根据本发明在弹性体波纹管元件3和旋转滑环11之间设置刚性中间盘4，现在根据本发明能够促进机械密封装置1的改进的轴向重新调整性能。特别是通过具有缝的环形中间盘4，能够在所有操作状态下确保波纹管元件的轴向重新调整性能。中间盘4在高温下膨胀，使得中间盘4的内周区域40和旋转结构部件之间的间隙48足够大。当冷却时，中间盘向径向内侧收缩。然而，在该处理过程中，从内周区域40延伸的缝47现在也促进内周区域在冷却时的收缩，因此中间盘4不会收缩至旋转结构部件10。以此方式，波纹管元件的轴向调整能力即使在低温下也得以维持。

根据本发明，因此仅部分具有缝的中间盘提供了中间盘4的尺寸方面的温度相关的变化的简单和低成本的解决方案。

此外，在中间盘加宽的情况下，径向地设置于中间盘的缝47的端部处的连接区域49防止了外周区域处的边缘对弹性体波纹管元件3的任何损坏。

因此，根据本发明，能够解决中间盘4收缩至旋转结构部件10的问题，而不会因此对波纹管元件造成任何损坏，并且不会导致关于波纹管元件3的轴向重新调整性能的任何不利。

相比之下，可以例如由稳定的合成材料制成的中间盘4能够没有任何附着效应地在旋转结构部件10的外周上移动，并且还去除了旋转结构部件表面的任意污染物。因此，通过机智地设置中间盘4能够克服弹性体波纹管的现有技术中迄今出现的关于特定运行时间后的重新调整性能的缺点。此外，由于一直能够进行机械密封的轴向重新调整，所以根据本发明能够显著减少密封间隙13处的渗漏，并且能够将密封间隙宽度保持地尽可能小。

此外，中间盘4还具有使机械密封装置能够在轴向X-X上显著缩短的优点，因为可以省去在现有技术中在弹性体波纹管件的情况下至今必需的支撑肩部，该支撑肩部设定在第二连接区域32的区域中并且将波纹管元件3支撑在旋转结构部件10上。结果，节省了轴向安装空间。同时，使用中间盘4还产生了如下可能：在遍及第二Z形断面角6的横过较长轴向的较长的轴向区域63地沿轴向X-X夹持旋转滑环11(夹持长度L)，并因此减少旋转滑环11的径向按压(参见图2)。这导致了对于旋转滑环11的积极效果，特别是关于旋转滑环11的滑动面的可能的不期望的变形方面。该变形能够导致运行期间在机械密封处的额外的不期望的渗漏。

因此，根据本发明的波纹管单元2当在使用弹性体波纹管元件3时实现了大量意外的优点。这里，波纹管单元2能够在轴向X-X上以更加紧凑的方式构成。缩短轴向X-X上的密封安装长度的选择因而导致了极大的竞争优势。此外，根据本发明的波纹管单元2还能够简单地抑制可能在运行期间发生的振动，归功于一直可能的轴向调整运动，该抑制即使在长运行时间之后也能够进行。

图6至图9示出了根据第二示例性实施方式的机械密封装置，其中中间盘4另外包括在轴向X-X上突出的凸沿45。这些突出的凸沿45形成于中间盘4的内周区域40。这里，凹部41和轴向突出的凸沿45分别交替地设置于内周区域40(参见图8)。这样，凹部41的数量和轴向突出的凸沿45的数量是奇数的。在本示例性实施方式中，分别设置了9个凹部41和9个凸沿45。这样，缝47从凹部41处开始沿径向向外形成。

此外将凹部41设置为弓形。如能够在图9中看到的，当穿过轴向突出的凸沿45截取截面时，中间盘4因此具有L形截面。

这样，轴向突出的凸沿45促进了波纹管元件3的稳定支撑。以此方式，例如，进一步确保了波纹管元件3不会与第二连接区域32的区域中的旋转结构部件10接触，并且不会有损波纹管元件3的轴向重新调整性能。因此，凸沿45提供了对弹性体波纹管元件3的支撑，而不会有损根据本发明的中间盘4在冷却时在内周区域40处收缩的能力。

附图标记说明

1 机械密封装置

2 波纹管单元

3 波纹管元件

4 中间盘

5 第一Z形断面角

6 第二Z形断面角

7 预张紧元件

8 第一空间

9 第二空间

10 旋转结构部件/轴

11 旋转滑环

12 固定滑环

13 密封间隙

14 壳体

15 辅助密封元件/O型环

31 第一连接区域

32 第二连接区域

33 波纹管中间区域

34 凸沿

35 波纹管元件的正面接触面

40 内周区域

41 凹部

42 突出区域

43 第一侧

44 第二侧

45 凸沿

46 外周区域

47 缝

48 环形间隙

49 连接区域

51 第一指向径向外侧的区域

52 第一指向径向内侧的区域

53 第一轴向区域

61 第二指向径向外侧的区域

62 第二指向径向内侧的区域

63 第二轴向区域

B 缝宽度

L 轴向夹持长度

S 缝长度

R 中间盘的最大环宽度

V 连接区域的径向宽度

X-X 轴向

Claims (14)

1.一种机械密封装置，其包括：

-旋转滑环(11)和固定滑环(12)，所述旋转滑环(11)和所述固定滑环(12)之间限定有密封间隙(13)，以及

-波纹管单元(2)，其具有波纹管元件(3)和中间盘(4)，

-其中所述波纹管元件(3)具有第一连接区域(31)、第二连接区域(32)和波纹管中间区域(33)，

-所述波纹管元件(3)由弹性体材料制成并且在所述旋转滑环(11)和旋转结构部件(10)之间提供连接，

-所述中间盘(4)配置于所述波纹管元件(3)和所述旋转滑环(11)之间，并且

-所述中间盘(4)具有至少一个缝(47)，所述缝(47)具有比缝长度(S)小的缝宽度(B)，并且

-所述缝(47)在一侧封闭，使得连接区域(49)保留在所述中间盘(4)的所述缝(47)处。

2.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述缝(47)起始于所述中间盘(4)的内周区域(40)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，恰好一个缝(47)设置于所述中间盘(4)处。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，缝宽度(B)对应于所述连接区域(49)的径向长度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述缝宽度(B)与所述缝长度(S)的比在0.05至0.35的范围内，并且特别地大约为0.17。

6.根据前述权利要求中的一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述缝长度(S)与中间盘的环宽度(R)的比在0.7至0.95的范围内，并且特别地为0.85。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，多个凹部(41)设置于所述中间盘(4)的内周区域(40)。

8.根据权利要求7所述的机械密封装置，其特征在于，所述凹部(41)以规则的距离配置于所述中间盘(4)的所述内周区域(40)，和/或所述中间盘(4)具有奇数个凹部。

9.根据权利要求7或8所述的机械密封装置，其特征在于，所述缝(47)从所述凹部(41)中的一个凹部(41)开始、从所述内周区域(40)延伸。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述中间盘(4)具有多个轴向突出的凸沿(45)，所述多个轴向突出的凸沿(45)与所述凹部(41)在所述中间盘(4)的所述内周区域(40)处交替地形成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述波纹管单元(2)还包括第一Z形断面角(5)和第二Z形断面角(6)，其中所述第一Z形断面角(5)配置于所述第一连接区域(31)的外侧，所述第二Z形断面角(6)配置于所述第二连接区域(32)的外侧。

12.根据权利要求11所述的机械密封装置，其特征在于，所述第二Z形断面角(6)终止于与所述第二连接区域(32)在轴向(X-X)上的相同位置处。

13.根据权利要求11或12所述的机械密封装置，其特征在于，所述第一Z形断面角(5)的第一指向径向内侧的区域(52)与所述第一连接区域(31)的面向所述波纹管中间区域(33)的端部重叠，和/或所述第二Z形断面角(6)的第二指向径向内侧的区域(62)与所述第二连接区域(32)的面向所述波纹管中间区域(33)的端部重叠。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述机械密封装置还包括在轴向(X-X)上预张紧所述波纹管单元(2)的预张紧元件(7)，其中所述预张紧元件(7)以第一端区域支撑于所述第一Z形断面角(5)，并且以第二端区域支撑于所述第二Z形断面角(6)。