CN110382932A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封装置(10)，其包括：第一机器部件(12)和第二机器部件(14)，第一机器部件和第二机器部件彼此间隔开地布置以形成密封间隙(18)，并且可绕运动轴线(16)以旋转的方式相对于彼此运动；径向轴密封环(20)，其用于相对于密封间隙的低压侧(N)密封密封间隙(18)的高压侧部(H)，高压侧压力能够借助于流体施加至所述高压侧，径向轴密封环具有基体区段(22)，所述基体区段布置成保持在第一机器部件(12)的密封件保持结构(24)上，径向轴密封环还具有密封头部(26)，所述密封头部相对于基体区段(22)沿轴向可柔性地偏转，密封头部以预张紧且密封的方式接触第二机器部件(14)的密封表面(30)。密封表面(30)具有邻近高压侧(H)的第一密封表面区段(30a)和邻近低压侧(N)的第二密封表面区段(30b)，其中，第一密封表面区段(30a)向低压侧(N)的方向远离密封件保持结构(24)延伸并且与运动轴线(16)围出锐角α，其中，当小于指定极限操作压力值p_limit的操作压力p_w施加至高压侧(H)时，密封头部(26)接触第一密封表面区段(30a)，以及其中，第二密封表面区段(30b)向低压侧(N)的方向在径向上向第一机器部件(12)的密封件保持结构(24)的方向延伸，并形成用于密封头部(26)的轴向止动部(36)，当等于或大于极限操作压力值p_limit的操作压力p_w施加至高压侧(H)时，密封头部(26)在轴向上密封地接触所述轴向止动部。

Description

密封装置

技术领域

本发明涉及一种密封装置，其包括第一机器部件和第二机器部件，它们彼此间隔开地布置以形成密封间隙并且可绕运动轴线以旋转方式相对于彼此运动。密封装置具有径向轴密封环，所述径向轴密封环用于相对于密封间隙的低压侧密封密封间隙的高压侧，高压能够借助于流体施加至所述高压侧。径向轴密封环包括基体区段，所述基体区段保持在第一机器部件的密封件保持结构上，基体区段柔性地连接至密封头部，所述密封头部在径向方向上以动态密封的方式接触第二机器部件的密封表面。

背景技术

这种动态密封装置构成了机械工程以及车辆结构中的基本结构元件。同时，尤其是由于单元的技术进步，这种径向轴密封环在实践中暴露于持续增大的操作压力、温度和滑动速度。径向轴密封环的失效导致待密封的流体的不期望的泄漏，这可能具有破坏性后果，特别是在关键应用中。因此，径向轴密封环必须满足对其密封能力越来越高的要求，同时还应具有改进的使用寿命。

在实践中主要通过径向轴密封环的接触密封表面的密封区段的区域中的优化润滑、通过使用具有优选最小的滑动摩擦的材料配对、以及通过密封区的区域中的优化的散热来防止由于摩擦引起的径向轴密封环的使用寿命的缩短。在这方面，还试图进一步改善密封元件的所谓的回拖能力

发明内容

本发明的目的是提供一种密封装置，其中，特别是在高滑动速度或非常高的滑动速度下，甚至当压力施加至密封间隙的高压侧时，能够更好地保护径向轴密封环免受过度的机械和热应力。

根据本发明的密封装置在权利要求1中说明。本发明的其它实施例是从属权利要求的主题。

根据本发明的密封装置的基本特征在于，密封表面具有邻近高压侧的第一密封表面区段和在轴向上邻接第一密封表面区段并邻近低压侧的第二密封表面区段。第一密封表面区段在轴向方向上相对于运动轴线成锐角地朝向低压侧斜对地延伸。第一密封表面区段从运动轴线向低压侧的方向稍微倾斜地延伸。当小于指定极限操作压力值p_limit的操作压力p_w施加至高压侧时，密封头部接触密封表面的第一密封表面区段。根据本发明，第二密封表面区段径向地沿运动轴线的方向斜对地向低压侧的方向延伸，并形成用于密封头部的轴向止动部，当等于或大于极限操作压力值p_limit的操作压力p_w施加至高压侧时，密封头部在轴向上密封地接触所述轴向止动部。

在两个机器部件的旋转相对运动的情况下，径向轴密封环与具有密封件保持结构的机器部件一起相对于密封表面旋转，或者具有密封表面的机器部件相对于径向轴密封环旋转。位于高压侧的流体在此过程中由于其在密封表面或其上保持有径向轴密封环的第一机器部件上的摩擦并且由于其固有的粘度而运动成绕运动轴线的流动(所谓的泰勒库特流)。

如果具有密封表面的机器部件是——相对于两个机器部件的运动轴线——位于径向内侧并且旋转的机器部件，则在具有密封表面的机器部件上加速的流体由于离心力在更高的转速下向外推动。在该过程中，由于流体和密封表面之间密封表面的位于高压侧的第一密封表面区域上存在的粘附力，接触密封表面的流体可向高压侧的方向上轴向流动。以相应的方式，在第一机器部件位于径向外侧并且旋转的情况下，流体将由于其粘性并且与由于密封表面上沿第一密封表面区段(相对于运动轴线仅略微倾斜)出现的粘合力相互作用而向高压侧的方向轴向流动。

如果具有密封表面的机器部件是位于径向外侧的机器部件，则流体由于离心力而径向向外移动并且在径向方向上朝向第一密封表面区段流动。在该过程中，流体将在密封头部的接触密封表面的区域中向低压侧的方向在高压侧上积聚并可能旋转。流体只能向高压侧的方向逸出，由此在密封表面的第一密封表面区段上沿轴向流动。

因此，尤其是在高旋转速度下，由于密封间隙的高压侧上的密封表面的几何形状，可以产生轴向引导的流体流动。由于该流体流动，在高压侧流动的流体在密封区段的接触密封表面的区域或接触表面区域中、进而在密封区的区域中在高压侧流向密封头部。因此，密封区在密封装置的操作期间被机械冲洗，可能被冲掉污染物，并且进一步改善了润滑和从密封区的散热。由于作用在流体上的离心力而在流体中产生的湍流使得流体在高压侧上的充分混合，这有利于散热。另外，粘附到密封表面或密封头部的污染物可从密封区移除并冲洗掉。通过简单的设计措施，可以进一步提高径向轴密封环的使用寿命。

根据本发明的一个改进，可以进一步支持上述轴向引导的流体流动的引发，其中，密封表面的第一密封表面区段在其位于高压侧的边缘区段、即面向高压侧的边缘区段上包括一个或多个旋转结构或摩擦结构。摩擦结构被设计成使得它们在两个机器部件的相对运动期间引起或支撑流体流动，所述流体流动在轴向方向上被引导离开低压侧，即朝向高压侧。在本例中，摩擦结构可以包括凹部、特别是凹槽或类似物，和/或在径向方向上从第一密封表面区段的边缘区段远离地延伸的凸起或轮廓延伸部。当密封组件的状态不受压力作用时，即在其停用位置时，径向密封元件的密封头部优选地不接触第一密封表面区段的该边缘部分。这可以防止密封头部的不期望的磨损或损坏。

当然，在动态密封系统中，不能完全防止流体(即使只是轻微的)从相对于低压侧密封的高压侧泄漏。两个机器部件的相对运动导致已经到达密封头部的低压侧的流体(泄漏流体)沿着密封表面在轴向方向上移动，这是因为离心力及流体在密封表面上的粘附特性。

如果具有密封表面的第二机器部件是位于径向外部的密封装置的机器部件，则由于第二密封表面的几何形状，流体被限位在第二密封表面区段上。因此，该第二密封表面区段优选地至少部分地设计成与运动轴线成较大的角度，即相对于第一密封表面区段更陡。流体大部分或完全地沿轴向方向流到密封区。这也有利于低压侧上的密封区的润滑以及流体到径向轴密封环的高压侧的改进的回转阻力特性。

应当注意，当以操作压力p_w对高压侧施加压力，其中p_w小于或等于极限操作压力值p_limit时，相对于基体区段，密封头部可以偏转、即枢转或相对于基体区段向低压侧方向屈服。因此，对高压侧施加压力使得在密封头部——与高压侧上的相应操作压力p_w的压力成比例地——密封区在密封头部与密封表面、即其接触表面区域之间沿相对于密封表面的轴向的平移位移。相对于运动轴线以小倾斜度斜向向低压侧的方向延伸从而沿轴向轮廓相对于第一机器部件的密封件保持结构进一步远离的第一密封表面区段，可以减轻密封头部在密封表面的第一密封表面区段的接触表面压力。可以根据高压侧上存在的操作压力来调节接触表面压力。这可以有效地防止密封头部和密封表面之间的摩擦的不期望的增加，以及防止密封头部上的伴随的热负荷。因此，在密封装置的操作期间，径向轴密封环或密封头部的机械热应力总体上可以减小。这至少在密封头部在径向方向上由于径向轴密封环的材料的固有弹性而预应力地以密封方式接触密封表面的情况下是正确的。

如果高压侧的操作压力达到或超过规定极限压力值p_limit，则径向轴密封环的密封头部在相对于运动轴线的轴向方向上压靠在由第二密封表面区段形成的轴向止动部上。这确保了径向轴密封件的可靠密封能力，即使在高操作压力下也是如此。通过第二密封表面区段在径向方向上的相应几何形状和尺寸可以可靠地避免所谓的窜漏。通过这种方式，第二密封表面区段向第一机器部件的方向优选径向延伸到低压侧上，使得径向轴密封环的密封头部在轴向上完全被第二密封表面区段覆盖。根据本发明，第二密封表面区段可在极端情况下延伸到凹槽中，例如延伸到用作第一机器部件的密封件保持结构的保持凹槽中，以便通过这种方式为密封头部提供最大可能的轴向支撑或支撑表面的方法。这可防止密封头部的爆裂。由于径向轴密封环的密封头部在基体区段上柔性地连接，一方面两个机器部件的振动以及另一方面在实践中不可避免的具有密封表面的第二机器部件的偏心可由径向轴密封环可靠地吸收或补偿。因此，可再次更好地防止密封头部在其密封区段与密封表面相接触的区域中的局部机械过载和进而伴随的热过载。

在本例中，连接区段尤其可具有膜状设计，以确保径向轴密封环对高压侧上的操作压力p_w的变化的特别快速和灵敏的响应。

根据本发明，径向轴密封环尤其可全部或部分地由可弹性变形的弹性体制成。径向轴密封件的材料可根据需要包括填料或加强插件，以便至少部分地加强径向轴密封环。

密封装置可以可选地包括用于径向轴密封环的第二轴向止动部，以防止密封头部在位于低压侧的由第二密封表面区段形成的轴向止动部上的过大的接触压力。第二轴向止动部尤其可由第一机器部件形成，或者可附接到第一机器部件。例如，可以想到环形弯折轮廓，其在径向上向第二机器部件的方向延伸。

根据本发明，径向轴密封环可位于套壳(Kartusche)中，该套壳保持在第一机器部件上。因此，在各情况下可进一步简化径向轴密封的组装。如果需要，套壳可由金属、塑料或复合材料制成，并且可具有大致L形或U形的横截面。套壳也可以设计成多个部件。

根据本发明，第一密封表面区段可在轴向上具有线性或凹形轮廓。在前一种情况下，第一密封表面区段因此具有锥形设计。因此，可以以结构简单的方式实现密封头部沿着第一密封表面区段的精细分级的释放/加载。

根据本发明，第二密封表面区段可在轴向方向上至少部分地具有凹形轮廓。在本例中，第二密封表面区段特别优选地具有设计成与密封头部的弯曲轮廓或半径对应或相配的弯曲轮廓或半径。因此，密封头部可布置成接触并且支撑在轴向止动部的大面积上。这可以防止局部过度的压力，特别是防止对密封头部的剪切损坏。另外，这可防止当高压侧上的操作压力下降时密封头部在密封表面上不期望地卡住，使得密封头部能够向其相对于密封表面的非加压起始位置的方向枢转回来。第二密封表面区段的半径优选地选择为小于第一密封表面区段的可选的半径。

根据本发明，第二机器部件的密封表面可以由第二机器部件直接形成，即由其表面形成。然而，根据第二机器部件的材料，密封表面的几何构造可能需要复杂的制造工作，因此产生高生产成本。因此，密封表面特别优选地至少部分地、优选完全地由衬套元件形成，该衬套元件位于或固定在第二机器部件上。这一方面提供了制造优势，另一方面使得能够降低生产成本。因此，衬套元件尤其可由比第二机器部件更高质量的材料制成，并且在该过程中可节约成本地制造并且具有高尺寸精度。在这种设计中，第二机器部件的材料也可独立于或在很大程度上独立于因为它们施加在径向轴密封环的配合表面上而产生的要求而选择。第二机器部件可例如由塑料或塑料复合材料、例如碳纤维材料制成。

根据本发明，衬套元件尤其可由金属制成，优选由表面硬化钢或陶瓷材料制成。还可以想到的是由优选含石墨的复合材料制成的衬套元件。以这种方式，密封装置可以以简单且节约成本的方式设计成用于不同的操作条件。因此，密封装置具有特别广泛的用途。

根据本发明，衬套元件可被推压、熔焊、钎焊或胶接至第二机器部件。例如，还可以想到衬套元件被螺纹连接至第二机器部件或卡锁至第二机器部件。

根据本发明的一个特别优选的改进，衬套元件经由可弹性变形的中间元件或经由多个可弹性变形的中间元件安装或布置在第二机器部件上。因此，中间元件在径向方向上位于第二机器部件与衬套元件之间。在这种叠层结构中，中间元件尤其可以具有环形或套筒形设计，并且如果需要可以具有多部件式设计。通过使用这种中间元件，一方面可进一步简化衬套元件的安装。第二机器部件的由衬套元件覆盖的区域中的不规则性可由中间元件抵消(补偿)，使得第二机器部件的昂贵的精加工过程变得不必要。这在密封装置的制造成本方面是有利的。

还应注意，衬套元件可通过安装在可弹性变形的中间元件上而整体上设计成具有较低的材料厚度，而不会导致密封装置的功能损失。因此，脆性或非晶态材料、甚至可能是单晶形式的材料可以以简化的方式用于密封表面。可以想到具有金属的氧化物，例如二氧化硅(SiO₂)或氧化铝(Al₂O₃)。因此，可以以可控成本提供在机械、热以及如果必要的话化学上具有高抵抗性的配合表面。根据本发明，中间元件可以是粘弹性的或者也可以是弹性可变形的。根据本发明，衬套元件和中间元件或支承部件可不可拆卸地彼此连接。在本例中，不可拆卸的连接在经典意义上被理解为意味着不能非破坏性地释放的连接。可粘弹性地变形的中间元件使得衬套元件能够特别简单地安装在第二机器部件上，特别是如果它在径向方向上与中间元件和第二机器部件压在一起。

径向轴密封环的密封头部可至少区段式地具有球形、卵形、特别是椭圆形、或者也可多边形的横截面形状。密封头部特别优选地具有冠状形状。在本例中，密封头部具有带有凸形横截面的端面。如果需要，则密封头部可具有在轴向方向上彼此间隔开的多个密封区段。

从构造的观点来看，密封头部和基体区段在最简单的情况下通过可弹性变形的连接区段彼此连接。连接区段尤其可设计为(弹性体)膜的形式。连接区段特别优选地具有在径向方向上非线性的横截面轮廓。利用以这种方式成形的连接区段，所述连接区段可更可靠地吸收或补偿具有密封表面的机器部件的振动以及密封表面的不规则性，因为这些也可能首先出现在密封装置的操作期间。这可防止密封区段的局部过载，该密封区段接触密封头部的密封表面并且可产生径向轴密封件的更可靠的密封能力。由此也可实现径向轴密封件的特别紧凑的设计。就密封装置的潜在应用范围而言，这是有利的。在连接区段利用其两个腿部形成向高压侧敞开的开放空间的情况下，在此可通过在高压侧向密封装置施加压力，使径向轴密封环被压力激活。换句话说，密封头部与高压侧上的操作压力p_w成比例地压靠在密封表面上。因此，如果需要，则密封表面的第一密封表面区段可形成为具有更陡的轮廓，以便能够根据需要调节由轴向地向高压侧的方向作用在流体上的离心力而产生的流体流动。特别是在除润滑油之外的流体、例如气体的情况下，这是有利的。为此目的，连接区段有利地(至少区段式地)具有弓形或曲折形、即U形或V形的横截面轮廓。

根据本发明的一个改进方案，连接区段具有多个材料弱化区域，所述材料切弱区域在径向轴密封环的周向方向上一个接一个地定位，优选地彼此均匀地间隔开。利用可弹性变形的、优选地可橡胶弹性(gummielastisch)变形的连接区段的在径向轴密封环的周向方向上设置的材料减弱部，因此可实现密封区、即密封区段和密封表面的接触区的特别高效的润滑和进而的冷却。因此，这例如可防止在密封装置的动态密封区的区域中形成碳。与连接区段的非材料弱化区域相比，连接区段的材料弱化部一方面在密封装置的操作期间为密封头部提供较小的扭矩支撑。所述非材料弱化区域在径向轴密封环的周向方向上位于材料弱化部之间。在两个机器部件的相对运动期间，因此在密封表面上沿周向方向实现密封区段在密封表面上的与连接区段的材料弱化区域和非材料弱化区域的空间分布模式对应的接触压力分布特性。密封头部的密封区段的沿径向轴密封环的周向方向变化或不稳定的接触(表面)压力能够通过密封间隙和密封组件的高压侧上的流体改善易磨损的密封区段的润滑。这不会对径向轴密封环的密封性能产生负面影响。

如上所述，密封头部在密封表面上的与径向轴密封的密封能力相关的预加应力式密封接触可以完全或至少部分地由连接区段产生。因此，在两种情况下，密封头部通过连接区段在径向方向上压靠在密封表面上，连接区段必须由基体区段支撑在包括密封件保持结构的机器部件上。在本例中，基体区段以静态密封的方式在轴向或径向方向上接触包括密封件保持结构的机器部件。在连接区段包括上述材料弱化的情况下，进一步增强了密封区段在密封表面上的对应于材料弱化部的空间分布模式的不恒定的/变化的接触压力分布。在本例中，与在相对于运动轴线的径向方向上与连接区段的非弱化区域对准的那些区域相比，密封头部的密封区段利用(基本上)沿正交于密封表面的方向与连接区段的材料弱化部对准的那些密封区段区域以较小接触(表面)压力与密封表面接触。因此，还可进一步改善密封装置在密封区的区域中的自润滑、即在密封头部与密封表面之间的接触区的区域中的充足的润滑层，进而提高径向轴密封环的使用寿命。

根据本发明，连接区段在材料弱化区域中优选地分布具有小于连接区段的最大厚度的90％、优选地50％的厚度。因此，材料弱化区域不是通过连接区段的通孔或通道，而是始终密封高压侧以防止至低压侧的流体通道。连接区段可一体地形成在密封头部的中央或者替代地边缘上、特别是在密封头部的位于低压侧的边缘上。因此，在前一种情况下，密封头部在径向密封的径向轴密封环的情况下在相对于运动轴线的轴向方向上侧向地延伸，在轴向密封的径向轴密封环的情况下经由连接区域的连接区段在径向方向上在两侧延伸。因此，密封头部的密封区段可沿周向以简单的方式在径向方向上压靠在密封表面上。在这两种情况下，在密封头部处提供用于径向轴密封环的附加功能或附加构件的空间。

因此，根据本发明的一个实施例，密封头部可具有至少一个保持结构，(橡胶)可弹性变形的预应力元件、特别是蜗簧或弹性环保持在该保持结构中或在保持结构上，密封头部通过所述预应力元件对密封表面预加应力。根据本发明可附加地或替代地提供这种预应力元件，以经由连接区段使密封头部在密封表面上被预加应力。保持结构优选地根据本发明位于密封头部的面向基体区段的后侧上。从制造工程的角度以及在径向轴密封环的简单且可靠的安装方面，保持结构有利地设计为环形凹槽。如果密封头部仅具有一个这种保持结构，则它有利地定位在密封头部的高压侧。因此，可以进一步提高径向轴密封环的密封能力。

根据本发明的一个优选的改进方案，密封头部优选地在其面向基体区段的后侧具有位于连接区段的两侧、即低压侧和高压侧上的这种保持结构。根据第一替代实施例，用于密封头部的(橡胶)可弹性变形的预张紧元件、特别是蜗簧或弹性体环可相应地分别保持在两个保持结构中的一个中/上。在密封头部的预应力元件彼此间隔开的情况下，可特别可靠地使密封头部以其密封区段在径向方向上压在密封表面上。根据第二替代实施例，支撑元件可布置在位于低压侧的保持结构中/上，可弹性变形的预应力元件、特别是蜗簧或弹性体环可保持在位于高压侧的保持结构中/上。

与径向轴密封环或密封头部的材料相比，支撑元件本身是刚性的，即它在径向和轴向方向上尺寸稳定。支撑元件可以在低压侧为密封头部和/或为径向轴密封环的连接区段提供轴向或径向支撑，从而确保径向轴密封环的可操作性，即使在流体的高操作压力下也是如此。位于高压侧的预应力元件可在密封装置的操作使用期间的任何时刻实现密封头部压靠在密封表面上的足够的接触压力。

根据本发明，通过使径向轴密封环设有位于高压侧的至少一个摩擦结构、特别是位于其前侧或面向高压的一侧上的至少一个摩擦结构，即设有在两个机器部件的相对运动期间在密封间隙中产生流体流动使得之后流向密封头部的流体流或流体直接在密封头部的位于高压侧的密封区段中流向密封头部的流动元件，可进一步提高径向轴密封环的使用寿命。因此，位于高压侧的流体朝向或远离密封装置的动态密封区的流体流动可在密封装置的操作期间由流动元件直接或间接地产生。

根据本发明，流动元件尤其可设计为径向轴密封环中的凹槽。这种凹槽可简单且节约成本地制造，特别是利用在密封件制造中使用的原始模制方法通过注射成型制造。根据本发明的一个替代实施例，流动元件也可设计为径向轴密封环或密封头部中的通孔。根据本发明设计的上述凹槽优选地在两端处敞开。

为了在密封区的区域中特别高效的冲洗效果，根据本发明的凹槽或通孔的可使流体流过的横截面中可至少区段式地向低压侧或密封头部的密封区段的方向窄缩。因此，凹槽可类似于喷嘴起作用并且向密封区段的方向上更有效地再次加速流体。因此，流体可经由凹槽以高流速供入密封区段。总的来说，所需的流体冲洗效果可以进一步增强，所形成的碳从而可更有效地从密封区段或密封表面脱离并从密封区域移除。

根据本发明，凹槽也可设计为向高压侧敞开的盲通道。在这种特定情况下，流体在凹槽的朝向低压侧的端部处向密封表面的方向或多或少地突然偏转。在本例中，凹槽可在其面向低压侧的端部上包括用于流体的斜坡形的倾斜表面，所述倾斜表面朝向密封表面斜对地延伸。

凹槽或通孔可流体连接到密封头部的位于密封区段侧的环形流动通道，即可通向密封头部的该环形流动通道。因此，密封区段可在高压侧沿周向方向完全被流体包围。这在密封区域的散热方面是有利的。因此，还实现了密封区的进一步优化的冲洗。环形流动通道有利地由密封头部的接触密封表面的密封区段直接侧向地(朝向低压侧)限制。

密封头部的密封区段可包括运行带，所述运行带在端面上从密封头部远离地延伸。因此，该运行带突出超过密封头部的端面的轮廓。运行带可在两侧设计成滚圆的、即具有半径或者包括密封边缘。根据本发明，密封条优选地设有连续的、优选宏观上未结构化的运行表面。根据一个替代实施例，密封头部可具有多个这种运行带，所述运行带相对于彼此侧向偏移地布置在密封头部上。

根据本发明的一个优选的改进方案，密封头部的流动元件从密封头部远离地延伸。因此，流动元件设计成类似于密封头部的轮廓延伸部。从制造工程的角度来看，在本例中，流动元件优选地一体地形成在密封头部上。因此，流动元件同时被保持被约束在密封头部上。流动元件的作用类似于密封头部的叶片(叶片件)。在本例中，流动元件可具有卵形、椭圆形、多边形或三角形横截面形状。也可以想到类似于翼形轮廓的自由形状的横截面形状。设计为径向轴密封环的轮廓延伸部的流动元件的(推力)效果因此可根据要求通过适当选择流动元件的在操作过程中流体可以流向或流向的表面的尺寸和形状来调节。通过适当选择流动元件的流动表面相对于运动轴线或相对于径向轴密封环的局部半径的坡度以及流动元件的流动表面的可能的倾斜度，流体的加速度可受流动元件的影响。流动元件还可以设计成双向地起作用，即，在机器部件的相对于彼此的两个运动方向上在密封间隙的高压侧上产生轴向引导的流体流。

根据本发明，通过为径向轴密封环提供多个上述流动元件，可进一步改善径向轴密封环的密封区段的润滑和冷却。同时，这甚至可以更有效地防止流体的热过应力，并由此防止例如在径向轴密封环的密封区段上形成和沉积/储存碳。因此，一个或多个凹槽式流动元件和/或一个或多个特别是从径向轴密封环突出的流动元件可同时在密封头部上彼此组合地定位。凹槽式流动元件可位于例如密封头部的面向密封表面的端面上，从密封头部突出的流动元件可位于径向轴密封环或密封头部的一侧上。特别地，由于从密封头部突出流动元件，所以还可实现流体的彻底混合，这从热的角度来看是有利的。

多个流动元件可沿径向轴密封环的周向方向在密封头部上布置成一行或甚至多行。

应该注意的是，径向轴密封环可在低压侧具有位于密封头部上的返回元件或返回轮廓。因此，从高压侧流到低压侧的流体可更可靠地再次被输送回到密封头部的密封区段的高压侧，从而进一步改善径向轴密封环的润滑、冷却和回拖能力。返回元件以与径向轴密封环的上述流动元件相对应的方式可以是凹槽式的或者也可成形为轮廓延伸部。

附图说明

下面参考附图中所示的示例性实施例更详细地解释本发明。

在附图中：

图1以局部剖视图示出了密封装置，其具有两个可相对于彼此绕运动轴线运动的机器部件，它们借助于径向轴密封环彼此密封，所述径向轴密封环在径向方向上以动态密封的方式接触两个机器部件中的一个的密封表面，其中，径向轴密封环的密封头部相对于密封表面是可偏转的，并密封表面具有整体上槽形的形式；

图2以局部剖视图示出了处于另一操作状态的图1的密封装置，其中，操作压力p_W施加至高压侧，其中,操作压力大于或等于极限操作压力值p_limit；

图3示出了类似于图1的密封装置，其中，径向轴密封环还包括位于高压侧的多个流动元件，在机器部件的相对运动期间位于高压侧的流体的轴向流动受到所述流动元件的影响；

图4以局部透视细节图示出了可在图3所示的密封装置中使用的径向轴密封环，其中，径向轴密封环包括凹槽式或通道式第一流动元件和设计成轮廓延伸部的形式的第二流动元件，以用于在位于密封间隙的高压侧的流体中产生轴向流动；

图5示出了根据图1的密封装置的第二机器部件的密封表面，其中，低压侧上的密封表面区段具有边缘区段，其设有凹槽状摩擦结构，在两个机器部件的相对运动期间，通过该摩擦结构可在高压侧产生或支持轴向引导的流体流动；

图6以局部侧视图示出了类似于图5的密封表面，其具有多个凹槽状摩擦结构；

图7以局部侧视图示出了类似于图5的密封表面，其具有多个摩擦结构，所述摩擦结构以轮廓延伸部的形式沿径向方向从密封表面远离地延伸，其中摩擦结构在此分别具有三角形横截面形状；以及

图8以局部侧视图示出了类似于图5的密封表面，其具有多个摩擦结构，所述摩擦结构以具有改进的椭圆形横截面形状的轮廓延伸部的形式沿径向方向从密封表面远离地延伸。

具体实施方式

图1和图2示出了具有第一和第二机器部件12、14的密封装置10，第一和第二机器部件布置成相对于彼此绕由16标识的运动轴线可旋转。在两个机器部件之间形成密封间隙18。密封间隙具有待密封的高压侧H，其中设置有流体、特别是润滑剂、例如油，所述流体可以以操作压力p_w加压。高压侧H借助于径向轴密封环(RSSR)20相对于密封间隙的低压侧N密封。

密封元件20可总体上由可弹性变形的材料制成、优选地由弹性体制成，并且优选地设计为一体件。应当理解，支撑或加强部件(未示出)可部分地或完全地嵌入密封元件20的材料中。

密封元件20的基体区段22保持在第一机器部件12的密封件保持结构24、在此为保持凹槽上。基体区段22可在径向和/或轴向方向上以静态密封的方式接触第一机器部件12。在本例中，基体区段22被保持夹持在密封件保持结构24中。基体区段22也可以以本领域技术人员已知的其它方式固定、例如用销固定或粘接至具有密封限位结构24的机器部件12、14。

密封元件20还具有密封头部26。在本例中，密封头部使密封区段28以预加应力且密封的方式在径向方向上接触第二机器部件14的密封表面30上。密封头部由此用于动态地密封密封间隙18。应当注意，根据图1的径向轴密封环可以设计成内部密封或者以未详细示出的方式外部密封。密封头部28和基体区段24通过橡胶可弹性变形的连接区段32彼此连接。在本例中，连接区段32具有在相对于运动轴线16的径向方向上非线性的横截面轮廓。密封头部26与密封表面30的预加应力式密封接触可以至少部分地或者也如在本例中那样完全由连接区段32引起。密封头部26因此在所示的示例性实施例中仅通过连接区段32的材料中固有的弹性对第二机器部件14的密封表面30预加应力。在本例中，连接区段32具有类似膜的设计，使得密封头部26在轴向方向上柔性地连接在基体区段22上。由于连接区段32的在径向方向上非线性的横截面轮廓，因此，密封头部26也相对于第一机器部件12在相对于运动轴线16的径向方向上有弹性地安装。因此，径向轴密封环20能够补偿第二机器部件14的偏心，而不会导致密封头部26在密封头部26和接触表面30的接触表面区域中的局部过应力。在本例中，径向轴密封环20的密封头部26具有球形构造的横截面形状，其具有凸形端面34。可以理解，密封头部26也可具有其它的例如卵形、椭圆形、多边形或自由形状的横截面形状。

密封表面30具有特定的几何设计。因此，密封表面30包括邻近高压侧H的第一密封表面区段30a和在轴向方向上邻接它并且邻近低压侧N的第二密封表面区段30b。这两个密封表面区段30a、30b彼此无缝结合。第一密封表面区段30a向低压侧N的方向轴向地延伸远离密封件保持结构24并且与运动轴线16围成锐角α(在其整个纵向尺度上)。因此，密封表面30在第一密封表面区段30a的区域内具有锥形套筒状设计。换句话说，第一密封表面区段30a具有沿轴向线性的轮廓。第二密封表面区段30b布置成在低压侧N的方向上延伸，在本例中向第一机器部件12的密封件保持结构24的方向径向地弯曲。该第二密封表面区段形成用于密封头部16的轴向止动部36。第二密封表面区段的半径R由38标识。因此，第二密封表面区段28具有凹形轮廓。

当将小于指定的极限操作压力值p_limit的操作压力p_w施加至密封间隙的高压侧H时，密封头部26接触密封表面30的第一密封表面部分30a。在等于或大于极限操作压力p_limit的操作压力p_w下，在本例中，密封头部也以密封的方式在轴向方向上接触密封表面30的第二密封表面区段30b。这确保即使在高操作压力下也实现径向轴密封环20的可靠密封能力。第二密封表面区段30b在其位于低压侧上的端部区域中向第一机器部件12的方向径向延伸至使得径向轴密封环20的密封头部16在轴向上完全由第二密封表面区段30b覆盖。这即使在非常高的操作压力p_w下也可以防止密封头部16不期望地挤出到密封间隙18中。

在图1和2所示的密封装置10中，径向轴密封环20与具有密封件保持结构24的机器部件12一起可相对于密封表面30旋转，或具有密封表面30的机器部件14可以相对于径向轴密封环20绕运动轴线16旋转。位于高压侧H上的流体在该过程中由于流体在密封表面30或第一机器部件12上的摩擦以及由于流体的固有粘度而移动成围绕运动轴线16的流动(所谓的泰勒库特流动)。具有密封表面30的机器部件12、14——相对于两个机器部件的运动轴线16——是径向在内地布置并且设置成旋转的机器部件12、14，如双箭头所示，然后在表面30上加速的流体由于离心力F_ZF，也被迫使在更高的旋转速度下向外。在本例中，由于流体与密封表面30之间在密封表面30的位于高压侧上的第一密封表面区段30a上的粘附力，在本例中接触密封表面30的流体可沿轴向向高压侧的方向被推动。以相应的方式，在第一机器部件12径向在外地布置并相对于第二机器部件14旋转的情况下，由于其粘度和由于与在密封表面30上沿着第一密封表面区段30a出现的粘合力的相互作用，流体将向高压侧H的方向轴向流动。在具有密封表面30的机器部件12、14是位于径向外侧的机器部件12、14的情况下，在两个机器部件12、14相对于彼此旋转期间，流体将在围绕运动轴线16的旋转方向上流动。由于作用在流体上的离心力Z_FK，流体径向向外移动并流向密封表面30的第一密封表面区段30a。流体将在高压侧向低压侧N方向积聚并盘绕在密封头部16的接触密封表面30的区域中。因此，流体将主要沿高压侧H的方向轴向流动。

由于密封表面30的位于密封间隙18的高压侧H上的几何形状，特别是在高旋转速度下，可以产生轴向定向的流体流动。由于这种流体流动，在高压侧H流动的流体在高压侧在密封头部的密封区段28的接触密封表面30(接触表面区域)的区域中、进而在动态密封区40的区域中流向密封头部16。密封区40在密封装置10的操作期间被机械冲洗，如果需要则洗掉不含污染物，并且进一步改善了密封区40的润滑和散热。如果由于作用在流体上的离心力F_ZK而在流体中发生足够剧烈的湍流，则因此实现了高压侧H上的流体的有利于散热的彻底混合。以这种方式，粘附到密封表面30或密封头部16的污染物也可从密封区40被释放并冲洗。径向轴密封环20的使用寿命基本上可以通过简单的设计措施进一步通高。密封表面30的第一密封表面区段30a可在其位于高压侧的边缘区段41的区域中设有转动结构或摩擦结构T，通过该转动结构或摩擦结构T，流体在两个机器部件12、14的旋转循环相对运动期间沿箭头方向F朝向高压侧H加速。这样，密封区40的区域可甚至更有效地被冲洗，并且可以免受污染，而且可进一步改善密封区40的润滑和散热。密封头部26优选地在非压力加载状态下不接触第一密封表面区段30a的设置有摩擦结构T的边缘区段41，以避免密封头部26在密封表面30上的过度摩擦和密封头部26的剪切损坏的风险。将结合图5至9更详细地讨论摩擦结构T。

在密封装置10的操作期间，不可能完全防止流体从待相对于低压侧N密封地高压侧H轻微泄漏在动态密封头部16的区域中发生。由此在两个机器部件12、14的相对运动中，位于密封头部16的低压侧N上的(泄漏)流体沿着密封表面30在轴向上通过与作用在流体上的离心力Z_FK相互作用的粘合行为来移动。流体很大程度上或完全地沿轴向朝向密封区40流动。因此，这也有利于低压侧上的密封区40或密封头部16与密封表面30的接触表面区域的润滑，以及径向轴密封件20在高压侧H上的改进的回拖特性。

在本例中，第二机器部件的密封表面30由衬套元件42形成，衬套元件42固定至第二机器部件14。因此，第二机器部件14可由节约成本的材料或由不适合作为径向轴密封环20的配合表面的材料制成。第二机器部件14的表面的进一步精细加工也是不必要的。衬套元件42可以根据衬套元件42和第二机械部件14的相应材料与第二机器部件压在一起，或者熔焊、钎焊或胶接或螺纹连接至第二机器部件，或者卡锁至第二机器部件。在本例中，衬套元件42由金属制成，例如，更精确地由表面硬化钢制成。替代地，衬套元件42可以例如由陶瓷材料制成。由复合材料制成的具有由金属或塑料制成的支撑结构和位于其上的例如由氧化铝制成的滑动层的衬套元件也是可以想到的，该滑动层形成密封表面30。

在此示出的示例性实施例中的衬套元件42通过可弹性变形的承载元件或中间元件44定位在第二机器部件14上。衬套元件可以特别是利用中间元件44压在第二机器部件上，并且进而保持不可相对旋转地固定在所述机器部件上并且在轴向方向上保持固定就位。

根据图3所示的示例性实施例的径向轴密封环20可具有弓形或曲折形状的连接区段32。开放空间46在径向方向上在内侧和外侧由边界限定。在本例中，开放空间应理解为意指一定体积的空间，其中未设置密封装置10的构件。该开放空间46周向地围绕密封头部16。开放空间46流体连接到密封装置10的高压侧H。如果操作压力p_w施加至高压侧H并因此也施加至自由空间46，则密封头部16可以以与高压侧H上的压力P_W成比例的方式被压靠在密封表面32上。因此，径向轴密封环20通常可通过压力激活。

密封头部16还可包括至少一个预应力元件48，所述预应力元件48相对于径向轴密封环单独地设计，借助于所述预应力元件48，密封头部16抵靠密封表面伸展。在本例中，密封头部16包括位于连接部分32两侧的凹槽50，可弹性变形的预应力元件48、在此是蜗簧在高压侧上保持在所述凹槽50中，支撑元件52在低压侧上保持在所述凹槽50中。在径向轴密封件10的该实施例中，密封头部16由此至少部分地被预应力元件48压靠在密封表面30上。当压力施加至高压侧H时，密封头部16的由第一斜坡状密封表面区段30a介导的释放至少部分地由预应力元件48补偿。

支撑元件52由与径向轴密封环20的弹性体材料相比具有更大弹性模量的材料制成。支撑元件52在尺寸上是稳定的，并且不可或仅可轻微地由于在密封组件10的操作期间发生的力而变形。当压力施加至高压侧H时，密封头部26以及连接区段32可在相对于运动轴线16的轴向方向上支撑在支撑元件52上。连接区段32可在密封表面30的方向上、即在径向于运动轴线16的方向上支撑在支撑元件52上。因此，径向轴密封环16可以在轴向方向上机械稳定，并且可保护密封头部26免受密封表面30上的过度接触压力。

如果需要，则连接区段32可具有多个材料弱化区域54，所述材料弱化区域54沿密封元件的周向方向一个接一个地定位，优选地彼此均匀地间隔开。连接区段32在材料弱化区域中具有厚度d，厚度d分别小于连接区段32在其非弱化区域(图3中用虚线表示)中的最大厚度d_max的90％、优选地最大厚度d_max的50％。应注意，连接区段32不具有通孔等。因此，连接区段32整体是流体不可渗透的。密封头部26与密封表面30之间的沿周向方向波动的接触压力分布特性由连接部分32的材料弱化区域54引起。因此，可进一步改善密封装置10在密封区40的区域中的润滑特性。

密封区段可包括环形运行带56。至少在径向轴密封环的操作状态下，当未施加压力时，运行带56远离密封头部26的端面34向密封表面30的方向径向地延伸。根据图3的运行带56可具有矩形横截面形状。运行带56的两个密封边缘由58标识。运行带56可具有连续的环形运行表面60，所述运行表面60优选地具有未宏观结构化的设计。同样在图3所示的密封装置中，第一密封表面区段30a的位于高压侧的边缘区段41可有利地设有摩擦结构T，以甚至更进一步改善密封头部26和密封表面的接触表面区域的冷却、冲洗和润滑。

密封头部26可在高压侧设有轮廓系统62，所述轮廓系统62用于动态密封区40的更强烈的冷却、润滑和冲洗。

在本例中，轮廓系统62包括大量的第一流动元件64，第一流动元件64设计成凹槽式凹部。依据根据图4的径向轴密封件20的局部视图，第一流动元件64具有面向高压侧H的第一开口66和面向低压侧N的第二开口68。槽至少部分地相对于局部半径70斜对地延伸到一侧(在机器部件12、14的旋转方向上)，使得在两个机器部件12、14绕运动轴线——在此为双向的——相对运动期间在密封间隙的高压侧H上形成流体流，通过该流体流在高压侧在密封头部的密封区的区域中直接或间接地流向密封头部26。凹槽也可沿轴向方向向密封头部26的密封区段28窄缩，以便以这种方式在凹槽中更有效地使流体加速。第一流动元件64的至少一部分可在一端处通向密封头部26的环形流动通道72。在本例中，端面上的流动通道72优选地向低压侧N侧向地由密封头部26的密封区段28和密封头部26的运行带58直接限定。相对于第一流动元件64而言替代地或附加地，密封头部26的轮廓系统62可包括第二流动元件74，第二流动元件74中的每一个都以轮廓凸起的形式延伸远离密封头部26。这些第二流动元件74形成密封头部的叶片。第二流动元件74可例如具有卵形、椭圆形或多边形的横截面形状。

第一和第二流动元件64、74允许流体在密封头部16的端面34或密封区段28的区域中朝向密封头部16的更强化的流动。因此改善了密封头部26的冲洗、冷却和润滑。

密封头部26还可具有位于低压侧的回流轮廓76，由此可实现一方面密封装置10的回拖能力和另一方面密封头部26的接触密封表面30的密封区段28的从低压侧N被附加润滑。在本例中，回流轮廓76可以以对应于位于径向轴密封环的高压侧H上的第一或第二流动元件64、74的方式形成。

不同的离心结构或摩擦结构在图5至8示出，图1至3中所示的密封装置10的第一密封表面区段30a的高压侧上的相应边缘区段41的相应的边缘区段41可具有所述离心结构或摩擦结构。

根据图5，摩擦结构T可包括形成或者可形成为密封表面的衬套元件42的螺旋式或螺旋形的凹槽78或者具有密封表面的机器部件12、14的螺旋式或螺旋形的凹槽78。凹槽78的净横截面可有利地向高压侧的方向变宽。

密封表面30的第一密封表面区段30a的位于高压侧的边缘部分41的摩擦结构T也可包括多个凹槽78，如图6所示。凹槽78的至少一部分有利地沿轴向彼此偏移地定位。凹槽还可具有不同的长度。凹槽还可具有轴向地向高压侧H的方向变宽的净/自由横截面，以抵消凹槽中流体的不期望的背压。凹槽78在它们在运动轴线16上的投影中优选地以与运动轴线16成锐角的方式延伸。

根据图7和8中所示的示例性实施例，密封表面30的第一密封表面区段的位于高压侧的边缘区段41的摩擦结构T也可设计成第一密封表面区段30a的凸起或轮廓延伸部80的形式。根据图8，轮廓延伸部80可具有三角形横截面形状，或者根据图9也可具有(改型的)椭圆形横截面形状。可以想到其它多边形横截面形状或自由形式的横截面。

Claims (21)

1.一种密封装置(10)，其包括：

-第一机器部件(12)和第二机器部件(14)，第一机器部件(12)和第二机器部件(14)彼此间隔开地布置以形成密封间隙(18)，并且能够绕运动轴线(16)以旋转的方式相对于彼此运动；

-径向轴密封环(20)，其用于相对于密封间隙(18)的低压侧(N)密封密封间隙(18)的高压侧(H)，高压侧压力能够借助于流体施加至所述高压侧，径向轴密封环(20)包括基体区段(22)，所述基体区段(22)保持在第一机器部件(12)的密封件保持结构(24)上，径向轴密封环(20)还包括密封头部(26)，所述密封头部(26)沿轴向相对于基体区段(22)能够柔性地偏转，密封头部(26)以预张紧且密封的方式接触第二机器部件(14)的密封表面(30)，

其中，密封表面(30)具有邻近高压侧(H)的第一密封表面区段(30a)和在轴向上邻接第一密封表面区段并邻近低压侧(N)的第二密封表面区段(30b)，其中，第一密封表面区段(30a)向低压侧(N)的方向远离密封件保持结构(24)延伸并且与运动轴线(16)围出锐角α，

其中，当小于指定极限操作压力值p_limit的操作压力p_w施加至高压侧(H)时，密封头部(26)接触第一密封表面区段(30a)，以及

其中，第二密封表面区段(30b)向低压侧(N)的方向在径向上向第一机器部件(12)的密封件保持结构(24)的方向延伸，并形成用于密封头部(26)的轴向止动部(36)，当等于或大于极限操作压力值p_limit的操作压力p_w施加至高压侧(H)时，密封头部(26)在轴向上密封地接触所述轴向止动部(36)。

2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，第一密封表面区段(30a)具有在轴向方向上线性延伸的或凹形的轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的密封装置，其特征在于，第二密封表面区段(30b)至少区段式地具有在轴向方向上为凹形的轮廓，所述凹形轮廓优选地具有与径向轴密封环(20)的密封头部(26)的外轮廓对应的半径R。

4.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，第一密封表面区段(30a)具有位于高压侧的边缘区段(41)，所述边缘区段(41)设有至少一个摩擦结构(T)，所述摩擦结构(T)优选地设计成凹槽(78)或从密封表面径向突出的轮廓凸起(80)的形式。

5.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，第二机器部件(14)的密封表面(30)至少区段式地由衬套元件(42)形成，所述衬套元件(42)固定至第二机器部件(14)。

6.根据权利要求5所述的密封装置，其特征在于，衬套元件(42)被推压、熔焊、钎焊或胶接至第二机器部件(14)。

7.根据权利要求5或6所述的密封装置，其特征在于，衬套元件(42)至少部分地由金属、塑料或陶瓷材料制成。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的密封装置，其特征在于，衬套元件(42)通过中间元件(44)安装在第二机器部件(14)上和/或固定至第二机器部件(14)，所述中间元件(44)能够以粘弹性或橡胶弹性的方式变形。

9.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，径向轴密封环(20)的密封头部(26)至少区段式地具有球形、卵形、椭圆形或多边形横截面形状。

10.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，径向轴密封环(20)至少部分地或完全地由弹性体材料制成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，径向轴密封环(20)在高压侧上设置有至少一个流动元件(64、74)，通过所述流动元件在两个机器部件(12、14)沿着/绕运动轴线相对运动期间产生流体流动，使得流体在高压侧在密封头部(26)的密封区段(28)的区域中流向密封头部(26)。

12.根据权利要求11所述的密封装置，其特征在于，流动元件(64、74)至少区段式地形成为凹槽和/或通孔或者形成为径向轴密封环(20)的轮廓延伸部，所述轮廓延伸部优选地一体地形成在密封头部(26)上，轮廓延伸部从密封头部远离地延伸。

13.根据权利要求12所述的密封装置，其特征在于，凹槽在两端处敞开。

14.根据权利要求12或13所述的密封装置，其特征在于，凹槽的能够使流体流过的横截面中至少区段式地向密封头部(26)的密封区段(28)的方向窄缩。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的密封装置，其特征在于，密封区段侧的凹槽流体连接到密封头部(26)的环形流动通道(72)。

16.根据权利要求15所述的密封装置，其特征在于，流动通道(72)直接由密封头部(26)的接触密封表面(30)的密封区段(28)侧向地限界。

17.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，密封头部(26)的密封区段(28)包括至少一个环形运行带(56)，所述运行带(56)优选地设有连续的、优选地宏观上未结构化的运行表面(60)和/或密封区段(28)在端面上具有至少一个环形运行凹槽。

18.根据权利要求10或11所述的密封装置，其特征在于，流动元件(64、74)具有卵形、椭圆形、圆形、多边形或三角形的横截面形状。

19.根据权利要求10-18中任一项所述的密封装置，其特征在于，径向轴密封环(20)设有多个流动元件(64、74)。

20.根据权利要求19所述的密封装置，其特征在于，流动元件(64、74)沿径向轴密封环(20)的周向方向一个接一个地设置在密封头部(26)上。

21.根据前述权利要求中任一项所述的密封装置，其特征在于，密封头部(26)设有可弹性变形的预应力元件(48)和/或支撑元件(52)。