CN1082154A - 改进的机械端面密封系统 - Google Patents

Abstract

一种内径加压的机械端面密封件，包括至少一个 密封模件，它有彼此相邻的相对旋转的环，每一环具 有与另一环的表面相对的径向延伸的表面。至少一 个环，最好是旋转环，具有多个与环的内径相邻或从 环的内径延伸的螺旋槽，在来自内径的流体压力以及 旋转环的离心力的作用下，将从被密封的腔室泄漏的 任何流体通过密封件朝外排出，并具有足够的力来防 止位于密封环界面之外的污染物质进入密封件。密 封环最好采用复合塑料材料制成。

Description

本发明涉及的是密封系统，更具体地说，所涉及的是这样一种密封系统，它具有至少一个密封模件，用于减少或者消除油流入被密封模件所密封的腔室。

具有两个相邻的相对旋转的环的旋转机械端面密封件被用来密封多种流体，包括气体和液体，其中有毒性的或对环境有害的气体以及高度挥发性的轻质碳氢化合物液体。某些这样的密封系统使用具有特定结构的密封元件，其中包括至少一个密封环，其端面具有多个螺旋槽，用于将流体压送到在密封工作过程中环的端面之间产生的间隙中去。所述螺旋槽至少部分地延伸到两个密封环彼此相面对从而确定界面的区域中去。

具有两个围绕轴进行密封的密封模件的密封系统结构是已知的，这样的结构包括一些不同的形式，密封模件可以是双重或者串级形式。美国专利4290611号提供了具有双重密封模件的密封系统的例子，该专利的受让人即为本发明的受让人。

在某些密封系统的应用中，其周围环境不一定是空气，而可能包括一种流体，甚至是一种液体。例如，在某些双重密封模件结构中，轴被安装在一种油轴承上，在紧邻第二或者外部密封模件下游的空间中，是有油的流体环境。在采用一种外径加压结构，并具有从外径延伸的槽的密封件中，油倾向于沿着轴渗漏，渗入到密封环所形成的间隙中去。当油碰到旋转的密封环时，它具有一种沾着在环上的倾向，并受到旋转环的离心力的作用。所述的油随后进入密封间隙，使密封件受到污染，导致密封部件的不平衡。

有人建议设置槽，并且沿着密封面的内径方向施加压力。然而，人们发现，当工艺流体的内径压力稍稍大于大气压力时，就会导致普通石墨密封主环受到过大的压力，使密封环产生裂纹，并最终破裂。一个外径加压的密封模件所承受的外部压力会产生有助于保持密封环整体性的压力，而内径加压却会产生相反的作用。除非在内径加压的密封环上采取某些措施来保持其结构的整体性，否则内径加压就不可能解决油的污染问题。

因此，人们所需要的是这样一种密封结构，它利用旋转环的离心力来防止油进入密封间隙，而不是帮助油进入密封间隙，从而消除由于密封中油污染所带来的问题。

人们进一步还需要的是一种用于旋转机械端面密封的密封环，它能够在内径加压工艺流体的条件下连续地进行工作，并能保持其整体性。

本发明提供了一种密封件，它具有至少一个密封环，该密封环具有与环的内径相邻或者由环的内径向外延伸的螺旋槽，该密封件的结构使工艺流体的压力作用在其密封环交界面的内径上。

根据本发明，一种旋转机械端面密封件在外壳和相对该外壳旋转的轴之间提供了不漏流体的密封，密封住加压的流体。该密封件包括相邻的环形主环和配合环，它们一般确定了径向密封表面;其中一个环被密封，并且以不旋转的方式与轴同心地安装在壳体上，另一个环被密封并且同轴地安装在轴上，因此能够旋转，其中一个环能够在轴上沿轴向方向运动;采用偏置部件，促使能够轴向运动的密封环朝另一个环靠拢，从而使密封表面彼此紧贴，产生可相对旋转的密封结合;每一个密封表面与另一个密封表面相邻的部分确定了一个环形密封交界面，其中一个环的表面具有多个螺旋槽，它从密封交界面的内径延伸，并且至少通过一部分所述的交界区域;螺旋槽将需要密封的流体通过所述密封交界面从密封件沿径向方向朝外压出，因此当被密封的流体沿径向方向朝外被压出时，除了被密封流体的压力之外，由旋转环施加在被密封流体上的离心力也能够防止位于密封界面之外的污染物质进入密封件。

本发明的一个特点是采用一种材料来制作主环，它能够抵抗由内径压力所产生的圆周应力。这种材料能够承受的圆周应力最好至少相当于大约1200psi的作用在密封环的内径表面上的压力，这种材料最好是一种复合塑料材料，例如聚酰胺-酰亚胺。

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细的说明。

附图1是本发明的一种密封件的横截面示图;

附图2是沿着附图1中2-2线所取的一部分密封表面的横截面示图;

附图3是沿着附图1中3-3线所取的一部分密封表面的横截面示图;

附图4是本发明第二种实施方案的横截面示图;

附图5是沿着附图4中5-5线所取的密封表面的前示图。

附图1显示了本发明的一种实施方案的密封件10，这种密封件用于将一种加压的工艺流体，例如一种气体或者一种高度挥发性的碳基液体密封在壳体中。壳体用标号12来表示，它包围了被密封装置的内部空间14，这样的装置可以是压缩机或者类似的设备。一根轴16穿过壳体12上的开孔18，伸出到相邻的环境空间20中。

一般说来，密封件10具有螺旋槽式机械端面密封模件串级结构，每一个模件都有安装在壳体和轴上的部分。每一个密封模件一般说来为美国专利4212475号所示的类型，它可以具有双重密封模件结构。此外，也可使用如美国专利4212475号所披露的单个密封模件，以从本发明中获得利益。美国专利4212475号的内容插入在本说明书中作为参考，以提供每一个密封件对流体进行压出的说明。

串级密封件包括一个上游或内部的密封模件22以及一个下游或外部的密封模件24，它们之间确定了一个环形腔室26。所述内部密封模件22包括一对环形密封环，包括一个具有径向延伸表面30的内部主环28和一个内部配合环32，后者具有一个径向延伸的表面34，它和主环28的径向延伸表面30相对应。类似地，外部密封模件24也具有一对环形密封环，包括一个外部主环38和一个外部配合环42，其中外部主环38具有一个径向延伸的表面40，外部配合环42具有一个径向延伸的表面44，两个表面相对应。

通过定位机构将主环28和38固定在壳体上;类似地，通过一个或多个套筒机构来固定配合环32和42，使之和轴16一起旋转。

一个装在轴16上的内部轴套46通过一个驱动销子48或其他元件（图中未示）来防止其旋转，通过适当的机构（图中未示）将套筒46固定在轴上，以便防止套筒在轴方向上朝外运动。一个O-环也被装在套筒46的凸缘部位上，用于实现套筒和轴之间的密封。

一个外部轴套50也被装在轴16上，与内部轴套46相邻，这样两个套筒的相向表面便不允许流体从它们之间流出。通过一个适当的连接机构来完成外部轴套50和内部轴套46之间的连接，例如一个螺钉52（图中以虚线表示）。套筒46和50进一步包括一个间隔套筒54，它延伸到与配合环32和42的内径相邻的径向表面34和44，并且与它们相接触。这样，配合环32和42就被锁定在相应轴套46和50的凸缘部位之间。一个O-环55在间隔套筒54的肩部和环表面42之间起密封作用。

密封件10进一步包括内部和外部的定位器58和60，分别用于将内部和外部主环28和38定位。通过一个适当的连接件，例如有头螺栓62（图中以虚线表示）将定位器58和60彼此连接在一起。内部定位器58固定内部主环28，内部定位器58的一个凸起部分59的形状和大小与外部定位器60上的环形槽61相一致，因此当上紧有头螺栓62时，定位器60与定位器58构成密封。

每一个定位器都带有多个弹簧64A，64B以及垫圈66A，66B，它们使各个主环与配合环相结合。垫圈66A和66B以及弹簧64A和64B使得主环28和38能够在轴16上沿轴向方向移动。O-环密封件68A和68B在垫圈66A和66B之间以及相应的定位器58和60之间提供第二密封。外部密封组件提供了另一个O-环70，从而在垫圈66B和主环38之间提供了进一步的第二密封。

壳体12上接有一个密封盖板72，该密封盖板通过螺栓74（图中以虚线表示）与壳体相连接，并且具有凸缘部分76，用于与外部定位器60的外端面相结合，定位器60通过有头螺栓78（图中以虚线表示）与上述凸缘部分连接在一起。如附图所示，采用适当的O-环将密封盖板与壳体12以及与定位器58和60相密封。

一个排泄通道80与定位器60上的开口82以及与腔室26相连接，该通道80能够与火焰烟道或其他燃烧装置（图中未示）相连接，用于排放一定量的通过上游密封模件22旋转表面的气体。这样的气体例如可以用于给装有带该密封件的装置的房间供热，也可以对这样的气体进行再压缩，以用于其他用途。

附图2显示了配合表面的一部分，它可以由上游或内部密封模件22的配合环或主环构成。根据美国4212475号专利的报导，该密封配合表面可以是一个普通的螺旋槽表面。为了便于说明，图中显示了配合环32的表面34。该表面具有多个朝下游方向压送的螺旋槽92，它们由外周边延伸，部分地跨过表面34的宽度。一个没有开槽的环形表面确定了一个密封堰94，当密封表面之间彼此不相对旋转时，该密封堰提供一种接触式静态密封。

附图3显示了下游或外部密封模件24的配合环或主环上的配合表面的一部分，该密封配合表面和附图2所示的密封表面34并不相同，它具有一个与环42的内径相邻的开槽部位。该密封配合表面可以具有与美国4212475号专利所示的开槽密封表面相类似的形状，其主要区别点在于与内径相邻的槽的位置。

同样为了便于说明，图中显示了配合环42的表面44。表面44也具有多个朝下游方向压出的槽98，它们与密封环42的内径相邻。与附图2所示的密封表面不同，该表面在轴旋转的过程中用于将流体通过密封交界面由外径送到与内径相邻的密封堰94处，而附图3所示的密封表面将压出流体通过密封表面44由环42的内径处送到与环的外径相邻的密封堰100处。

配合密封环表面34和44之间的另一个区别是环42的内径和槽98的内圆周边界104之间的第二环形带102。在本发明的说明书中，所谓“与内径相邻”并不要求槽98的端部与环82的内径相连接。如附图3所示，用虚线表示的环42中的槽98没有延伸到环的内径处。对应与环形带102的那一部分表面44与间隔套筒54的一端相邻。O-环56密封了环表面42和间隔套筒54之间的界面，环形带102提供了一个平滑的表面，用于更为有效地通过O-环进行密封。然而，槽98的确超过了环38和42的交界区域，延伸到腔室26。这种结构使得槽能够更为有效地将流体由腔室26通过密封界面压出到周围环境20中去。

一般说来，如附图2所示，螺旋槽通常与旋转环的外径相邻或者从旋转环的外径延伸出来。根据已有技术的建议，通过将螺旋槽置于静止环或旋转环上，使之与密封环的内径相邻或者从密封环的内径延伸出来，也可以指望得到压出的效果。本发明的受让人也建议将螺旋槽置于内径上，用于将一种惰性缓冲流体朝上游方向抽送，以平衡被密封在上游腔室中的工艺流体压力。

然而，对于内径加压的密封环来说，在密封环的设计中需要考虑朝外的圆周应力，尤其是用于外径加压密封的石墨环，一般说来不能承受由于内径加压而形成的朝外的径向圆周应力，所以当密封件承受内径加压时，密封环就容易产生裂纹或破碎。在外径加压密封件中，外径压力从所有的方向上对环施加沿径向方向朝内的压力，因而环能够承受这一压力。该压力增强了密封环的抵抗能力，这就好象一个半圆形的拱能够承受作用在其上的拱的重量。

然而，对于内径受压的环来说，工艺流体所施加的是从内径朝外的压力，它产生环上的应力，这一应力有时被称为圆周应力。由朝外的压力所形成的圆周应力使密封环受到一个倾向于使之裂成碎片的力。

参见附图2，密封模件22和24都将流体压向下游方向或者由压力较高处送向压力较低处。然而，通过内部密封模件22的流体被旋转环32的螺旋槽92朝内驱动，而通过外部密封模件24的流体，由于螺旋槽98的作用以及旋转环42对流体的离心力的作用，被从密封界面朝外驱动。由于受到流体压差以及环42的离心力的作用而形成的流体沿径向方向朝外的流动大大地增加了流体在槽98的压送作用下沿相反的方向朝上游渗流的阻力。这样，该密封结构便能够将进入密封间隙的污染物质，例如油，减小到最小的程度。

在通常的使用参数下，一个外径加压的静态主环28受到由离心力和动态压力形成的结构应力，这些力被主环的压应力所平衡，该压应力随着朝内的力的增加而增加。然而，在一个内径加压结构中，石墨主环在其内部圆周表面上，将受到没有被材料的抗拉力所平衡的朝外的压力。这样，为了保持结构的完整性，主环必须能够承受超过1200psi的压力。若将目前典型的用石墨制成的主环用于这种结构，是非常容易被损坏的。

本发明的一个特点就是提供一种主环，其材料能够承受通常在泵或压缩机中所遇到的压力。本发明采用一定类型的复合塑料材料，例如聚酰胺-聚酰亚胺，其商业名称为TORLON，由美国Georgia的Amoco  Torlon  Products  of  Atlanta公司提供，可以用来制造主环，而且在某些应用场合也可用来制造配合环。TORLON抵抗由较大内径流体压力所形成的圆周应力的能力比石墨强三倍，可以达到1200psi。

包括本发明特点的另一双重密封结构是将中间缓冲流体置于两个密封模件之间的中间腔室内。这样的结构如附图4所示。该缓冲流体密封模件也被分别置于上游和下游位置上。

密封件110是根据本发明的另一种实施方案设计的。在许多方面，密封件110的结构以及工作原理均和附图1所示的密封件10相似。在可能的情况下，两种密封件的类似元件都采用类似的附图标记来表示，所不同的只是对于密封件110来说，在元件的标号上增加一百。这样，就使得密封件110的元件标号顺序与附图1所示密封件10的相应元件标号顺序相一致。

壳体112包围了装有密封件的设备的内部空间114，轴116穿过壳体112的开口118，延伸到环境空间120中。

上游或内部密封模件122和下游或外部密封模件124之间形成了一个环形腔室126。内部密封模件122包括一对环形密封环，即一个内部主环128，它具有径向延伸的表面130;一个内部配合环132，它具有径向延伸的表面134，该表面与主环128的表面130相对应。类似地，外部密封模件124包括一对密封环，即一个外部主环138，它具有径向延伸的表面140;一个外部配合环142，它具有径向延伸的表面144，该表面与主环138的表面140相对应。

通过定位器机构将主环128和138分别固定到壳体上。类似地，通过一个或多个套筒组件将配合环132和142以可以旋转的方式固定在轴116上。

内部轴套146装在轴116上，通过一个驱动销子148或者其他元件（图中未示）来防止它的旋转。通过适当的机构将套筒146固定在轴116上，以便防止套筒朝外的轴向运动。在套筒146的一个凸缘部位上装有一个O-环，以实现套筒与轴之间的密封。

外部轴套150也装在轴116上，与内部轴套146相邻，两个套筒146和150之间相结合的表面不允许流体从它们之间漏出。外部轴套150与内部轴套146的连接是通过一个适当的连接部件来实现的，例如有头螺栓152（图中以虚线表示）。套筒组件146和150进一步包括一个间隔套筒154，它延伸到与相应配合环132和142的内径相邻的径向表面134和144，并且与它们相配合。这样，配合环132和142就锁定在相应轴套146和150的凸缘部位之间。与附图1所示的密封件10的布置相类似，采用一个O-形环156来实现套筒154和密封环表面144之间的密封。

上述定位器组件包括内部定位器158和外部定位器160，它们分别用来将内部主环128和外部主环138定位。定位器158和160通过有头螺栓162（图中仅以虚线显示其中一个）彼此连接起来。内部定位器158固定内部主环128，而外部定位器160则固定外部主环138。内部主环158上形成了一个凸起部分159，其大小与外部定位器160表面部分上的环形槽相一致。上紧有头螺栓162，将外部定位器160固定到内部定位器158上。

每一个定位器带有多个弹簧164A和164B，以及垫片166A和166B，它们促使主环与配合环相结合。垫片166A，166B以及弹簧164A，164B使主环128和138能够在轴116上作轴向运动，O-环密封件168A和168B为垫片166A和166B之间以及相应的定位器158和160之间提供了第二密封，在每一个模件上提供了另一个O-环170，用于在每一个垫片166A和166B以及每一个主环128和138之间提供进一步的第二密封。

壳体112上装有一个密封盖板172，该密封盖板通过螺栓174固定在壳体上。该密封盖板具有一个凸缘部分176，它与外部定位器160的外端面相结合。通过有头螺栓178将凸缘部分176连接到定位器160上。如附图所示，提供了适当的O-环，使密封盖板与壳体112以及定位器158和160相密封。

选取间隔套筒154的尺寸，使定位器158和160之间具有足够的间隙，以便形成中间腔室126的空间。中间腔室126，它也可以被称为缓冲腔室，位于两个密封模件122和124之间以及定位器158和160之间。密封模件122和124分别使中间腔室126与工艺流体腔室114以及环境空间170相隔绝。

一个缓冲流体通道180通过壳体112延伸到一个缓冲流体槽（图中未示）。该缓冲流体通道180与一个开口182相连（图中以虚线表示），它提供了缓冲流体通道180与中间密封腔室126之间的流体通道。

如附图1所示的密封件10和如附图4所示的密封件110之间的另一个显著的区别点是密封件10具有排出通道80，用于将工艺流体从中间腔室26中排出;另一方面，密封件110具有缓冲流体通道，它能够使缓冲流体，例如氮气，由缓冲流体槽（图中未示）流入中间腔室。另外，在密封件10中，壳体14中的工艺流体处于压力最高的状态，其压力高于中间腔室中的压力;另一方面，在密封件110中，缓冲流体位于腔室126中，其压力被保持为高于腔室114中的工艺流体压力或者环境空间120中的压力。

旋转配合密封环132和142都具有与其内径相邻的螺旋槽。如附图4和5所示，该螺旋槽并不延伸到配合环132和142的内径的边缘，但是螺旋槽198（如附图4所示）至少部分地延伸到在两个密封件之间形成的中间腔室126，这样配合环132和142都具有与附图1和2所示的密封环42相类似的结构。装设一个外径堰120，槽198将流体送向该堰。在密封件110的工作过程中，环132的螺旋槽198将缓冲流体通过密封表面130和134之间的交界面由密封环的内径压送到密封环的外径，并压入到壳体腔室114中。一个内径环形带202为带202和间隔套筒154之间的O-环提供了一个密封表面。

腔室126中的缓冲流体压力也大于腔室114中的工艺流体压力，该压力差有助于缓冲流体通过密封交界面泄漏到工艺流体腔室114中。密封件110是被设计用于特定的条件，在该条件下，很重要的一点就是不发生流体的泄漏，以及一种惰性缓冲流体对工艺流体的污染不至于带来麻烦。这种类型密封件的一种适当用途可以是用来密封或者泵送有毒的流体。采用氮气缓冲流体是能够接受的，因为氮气不会和工艺流体中的其它成分起作用，而且氮气也不会影响工艺流体的任何预定的用途。

在外部密封模件124上，在与配合环142的内径相邻的位置上也设有螺旋槽，用于将工艺流体由中间腔室126通过密封界面压出到环境空间120之中。密封模件124的工作原理与上面所述的密封模件24（如附图1所示）的工作原理相类似。由于缓冲流体腔室126中的压力高于环境空间120的压力，以及旋转配合环142所产生的离心力，就防止了流体，例如轴承油，向上游方向的泄漏。该密封结构也避免或者防止了由于流体从环境空间120进入密封表面之间的间隙而造成的密封污染。

Claims (9)

1、一种旋转的机械端面密封件，用于在机械壳体和旋转轴之间提供不漏流体的密封，该机械密封件能够密封其压力施加在密封件内径上的有压流体，该密封件包括：

相邻的环形主环和配合环，它们一般确定了径向密封表面；

所述密封环中的一个被密封，并以非旋转的方式与壳体相连接，并且与所述轴同轴，另一个环被密封，并且以能够旋转方式同轴地固定在所述的轴上；

所述环中的一个能够在所述轴上作轴向运动；

采用偏置件将能够轴向运动的环压向另一个环，使所述密封表面彼此相互紧贴，并且形成相互能够相对旋转的密封结构，每两个相邻密封表面之间的相邻部分确定了一个环形密封交界面；

一个所述密封环的表面具有多个螺旋槽，它由所述密封界面的内径延伸并且至少通过一部分所述密封界面，这些螺旋槽在径向通过所述密封界面朝外压出需要被密封的流体，当被密封的流体被径向朝外压出时，除了被密封流体的内径压力之外，还由于旋转环对被密封流体所施加的离心力防止了密封界面之外的污染物质进入密封件。

2、如权利要求1所述的密封件，其特征是每一个所述能够相对旋转的密封环的形状和大小能够承受至少600psi的内径流体压力。

3、如权利要求2所述的密封件，其特征是每一个所述能够相对旋转的密封环的形状和大小能够承受至少1000psi的内径流体压力。

4、如权利要求3所述的密封件，其特征是每一个所述能够相对旋转的密封环的形状和大小能够承受至少1200psi的内径流体压力。

5、如权利要求1所述的密封件，其特征是每一个所述能够相对旋转的环由一种能够承受相当于至少600psi内径压力的圆周应力的材料制成。

6、如权利要求5所述的密封件，其特征是至少一个所述的能够相对旋转的密封环的材料选自一组复合塑料材料。

7、如权利要求6所述的密封件，其特征是至少一个所述的能够相对旋转的密封环的材料为聚酰胺-酰亚胺。

8、如权利要求1所述的密封件，其特征是至少一个所述的能够相对旋转的密封环的材料选自一组复合塑料材料。

9、如权利要求8所述的密封件，其特征是至少一个所述的能够相对旋转的密封环的材料为聚酰胺-酰亚胺。

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