CN1118851A - 一种改进的非接触式机械端面密封 - Google Patents

Abstract

一种改进的机械端面密封中的螺旋槽，其具有多个末端尖角，它们可以更为均匀地把在密封间隙之间所产生的液体压力分配到离散的各个压力区中，这些压力区是沿径向、也可以沿周向偏移开由同一凹槽所产生的其他各个压力区。可供选择的结构还包括具有深度变化的表面的一些凹槽，其中多个末端凹槽尖角中的每一个与具有某一特定高度表面的一个凹槽部段相关联。

Description

一种改进的非接触式机械端面密封

本发明一般涉及旋转的机械端面密封，更为具体地涉及具有用于在密封端面之间形成一液体间隙的螺旋凹槽的旋转的机械端面密封。

机械端面密封一直长期地使用于一箱体与一相对旋转轴之间的密封。特别是近来，已经在至少一个密封环的密封端面上设置有一些凹槽，以便有助于在各密封端面之间形成一可把各密封环分隔开来的间隙。这些类型的密封一般被称作非接触式密封。一些螺旋凹槽已经被用来向密封端面之间泵送液体，以使这种液体在轴转动期间可以在各端面之间形成一个微小间隙。开螺旋凹槽的端面实例出现于美国专利号No.3499653和No.4212475中，这两个专利与本发明以及其所公开的内容一起给出，而这些内容以参考的形式引入到本发明中。

前述公开的各种螺旋凹槽包括两条大体上光滑的边界曲线，这二条边界曲线把凹槽区域与台面分隔开来。这两条边界曲线基本上是彼此平行的，而每条边界曲线终止在基本上位于距离密封端面的中心线的同一径向距离的端点处。这两个端点由一条横向边界连结起来，此横向边界大部分沿着圆周方向伸展，以形成如每一项美国专利No.3499653和No.4212475中的图2所示的螺旋凹槽型式。

业已发现，先有技术密封装置的各种螺旋凹槽用于在各密封端面之间提供间隙是有效的。不过，这些类型的密封端面型式的特性是由凹槽的形状来决定的。凹槽的形状包括在一个点处的一个单一末端尖角，凹槽的后部边界与凹槽的周向边界相交在该点处，以在该相交点处构成一个锐角。这一角度位于密封端面的两条周向边沿之间，在此称作末端尖角。

单一的末端尖角设计是使在邻近每个凹槽的末端夹角处产生一个压力“区”。对于某一标准螺旋凹槽密封端面的一组凹槽来说，每个凹槽产生一个这样压力区。据认为，这种压力区出现在紧邻凹槽末端尖角的台面上的一个部位处，更具体地说，是出现在与密封端面相对转动方向相反的那一台面的边沿处，以及在凹槽和槽后台面之间的边界线的另一侧。，由于液体质量流会聚到末端夹角中，因此这一点处压力增强现象的出现是可以想得到的，这种聚集的产生是由于在交点处凹槽的收敛的尾部和周向边界造成的。在常见的螺旋凹槽密封端面中，与各自凹槽相关的每一个压力区都是相对于轴的中心线大致上同一径向位置处，但却都是沿周围方向错开或紧邻着开凹槽区域与无凹槽区域(或凸台)之间的边界线。

有限数量的压力区的形成足可提供充分的升力，以分隔机械端面密封的各端面，并且在其间形成间隙，对于每一个标准的螺旋凹槽，压力区的数目必须限制在1∶1的关系。在美国专利No.3499653和No.4212475中描述的各螺旋凹槽中，压力区的数量受到密封端面出现螺旋凹槽的总数的限制，这些区都沿着一条紧邻着开凹槽区段与凸台之间的边界的周向线设置在基本上相等的半径处。

本发明公开了一种机械端面密封，用于在可相对转动的一对元件之间进行密封，转动元件包括一非转动地安装在一个元件上并相对其进行密封的第一密封环、一非转动地安装在另一个元件上并相对该元件进行密封的第二密封环，第二密封环安装成与第一密封环沿轴线对中，且还包括一个装置，其用于沿轴向弹性地促使每密封环的密封表面与第二密封环的密封表面进入轴向接合，每一个密封环的密封端面都有围绕其周缘分布的一个环状的开凹槽区域，此开凹槽区域朝向密封端面的一个边缘开口，在开凹槽区域与密封端面的另一个边缘之间有一个连续的环状凸台层，开凹槽区域具有多个凹槽，这些凹槽是呈角度布置的，并且在一给定方向上部分地横跨密封端面沿径向和圆周方向从密封端面的一个圆周边缘向另一个圆周边缘延伸；每一凹槽具有至少两条边界，每一边界一般地沿径向以及沿圆周方向伸展，而边界中的一条具有多个末端尖角，在此要进一步予以详细说明。

下面参照有关附图并配合具体实施例详细描述本发明的其他目的、特点及结构。其中：

图1是按照本发明的具有螺旋凹槽端面型状的密封端面；

图2是大致上沿2-2线截取的图1中密封端面的部分截面图；

图3是按照本发明密封端面型状的另一实施例；

图4是大致上沿4-4线截取的图3中密封端面的部分截面图；

图5表示按照本发明密封端面型状的再一实施例。

图6表示大致上沿6-6线截取的图5中密封端面的部分截面图；

图7表示图5和6中所示的密封端面的一种可供选择的实施例的截面图；和

图8表示按照本发明密封端面型状的又一实施例。

图1表示一个密封环10，其具有一般沿径向伸展的密封端面12，其形状和尺寸设计成使其与第二个环(未示出)的与其相对的密封表面相对置。密封环10可以是主环或者是配合环，而且其可以与轴(未示出)一起转动或者密封地连接于箱体(未示出)，正如前述美国专利号No.3499653和No.4212475中予以说明的。密封端面12，如前述各专利中确定的密封端面那样，具有一个开凹槽表面和非开凹槽表面构成的不连续型状。环状的开凹槽区段14邻接于密封环10的一个圆周边缘，而另一环状的凸台区段16则处于另一个圆周边缘。在图1所示的实施例中，环状开凹槽表面14邻近于密封环10的外直径圆周边缘18。不过，如同前述各专利中的密封环那样，环状开凹槽表面可以如图所示从外直径边缘18向内伸展，也可以从密封环的内直径边缘向外伸展，这取决于机械端面密封的设计。

环状开凹槽表面14还包括有多个凹槽20，凹槽20沿着环状开凹槽区段14的周缘均匀地间隔开来。一些台面22把相邻的一些凹槽20分隔开来。这些凹槽20在许多方面都类似于前述专利中所述的那些凹槽，密封环端面12有一个圆周边缘，如边缘18，作为凹槽的边界。至少两条另外的边界界定出每一凹槽20；第一条凹槽边界21在圆周和径向两个方向上伸展，而第二条锯齿形凹槽边界23也是在圆周和径向两个方向上伸展。不过，在本发明的密封装置中，凹槽20在圆周和径向两个方向上伸展的边界21、23中的一条边界上包括有多个末端尖角24。这些尖角24具有许多好处，下面将会进一步说明。

多个末端尖角24中的每一个都是在二个边界21、23中的一个边界上形成的。这个边界，比边界23，最好包括一系列顺次沿圆周方向伸展的边沿，如各边沿26，边沿26通过一系列在圆周和径向方向上伸展的第二边沿28彼此连接起来。每一个末端尖角24都是由相邻的一对会聚边沿26、28所构成的。带有末端尖角24的边界(如23)总体上也沿径向方向伸展，而且可以在与另一边界21相同的总的方向上沿圆周方向伸展。

当密封环10沿着箭头所示的预定方向转动时，构成凹槽20的前导边沿的边界称作前沿边界，并在图1中以21标明。前沿边界21是凹槽20的第一部分，该第一部分通过直接位于密封端面12上的某一理论驻点。前沿边界与圆周边缘1 8形成一锐角α，如图1所示。在一优选实施例中，角度α大约是19°，但是可以采用从5°到大约85°范围内的其他数值，而这取决于密封的设计和其他一些密封参数，诸如轴的转动速度等。当两条边沿21、28扩展延伸时，前沿边界21总是会与后部边沿28会聚一起的，而此后部边沿是与圆周边沿18相交的。

每一凹槽20的结构可以认为是包括几个相邻的、如美国专利号No.4212475所述的那种型式的凹槽，它们具有不同的长度，且彼此连接起来而在它们之间没有中介台面。边界21或23中的一条所循行的路径与通常的螺旋形凹槽前沿边界相同；而另一条边界，如图1中由边界23标明，包括有一些明显的尖角24，其尖端点沿着边界23分布并由二相邻的会聚边沿26、28所构成。这些尖端点，此后称作末端尖角，如图所示，它们最好是既在径向也在圆周方向上与同一凹槽中的其他一些相邻的末端尖角错移开来。不过，如图所示，其末端尖角沿着同一条半径对齐的凹槽也可以有效地工作。

环绕着环状开凹槽区段14的周缘的凹槽20的数目可以是2到60之间，这取决于密封环10的密封端面和外径的尺寸大小。凹槽20应当以径向对称的方式沿着环状开凹槽区段14均匀地分布。

台面与凹槽二者的比值最好选为1比3到1比5。这里所定义的台面与凹槽比值是台面22的圆周方向宽度与凹槽20相比时的比值。圆周方向宽度是在圆周边缘18处所取的圆弧的直线尺寸。台面与凹槽比值是通过都在圆周边缘18处取限制定台面22的弧段与限定凹槽20的弧段之比而计算出来的。这一特定比值将取决于采用这些密封环表面的机械密封的设计，并取决于密封设计的不同可以显著的变化，即此比值从1比3到1比5变化。

最好是，与每一凹槽20的锯齿状边界23相关的末端尖角24的数目可以在2至10个范围内，这取决于端面的宽度和密封环的尺寸。凹槽的深度的优选范围可以是从25到2000微英寸，这是密封环的各种具体用途所需要的。

在密封作业过程中，随着轴和密封端面的转动，液体泵入到两个密封端面之间的间隙内，而液体必定会流过二相关的边沿26、28所构成的每一尖角的交汇尖端点。由于在凹槽20和台面22之间的边界23处的表面高度增加而在末端尖角24处出现的液流障碍必须予以克服。故当液体达到末端尖角的交汇尖端点时，由会聚边沿26、28而迫使液体流入的容积就受到限制。这种容积限制和液体聚集到较小区域内都会提高在尖端点24处或其附近的液体压力，而且，当液体流过交汇尖端点时，就在紧邻交汇尖端24处的两个密封端面之间的间隙内形成如虚线所示的一个压力“区”25。

为了进一步促进对液体适宜的容积限制，前沿边界21最好也是与边界23汇聚一起的，即与各边沿28会聚，这些边沿28也是使沿径向也沿圆周方向伸展的。在图1中，边界21没有示出与各边沿28相交；但可以料到，这些边沿扩展延长(未示出)则会相交于密封环10的端面12上的某一点处的。

由于每一个这样的压力“区”25都与一个凹槽末端尖角24相关联，所以这些压力区就循行着各个末端凹槽尖角的型状，既在径向上也在圆周方向上以螺旋线的一般形状配置成横跨于密封端面的凹槽区段14。具有彼此相对地既在圆周上也在径向方向上布置的多个压力“区”的密封端面型状，被认为是比常见的螺旋形凹槽布局在间隙内提供一个更为有效的支承表面和一层更为坚固的液体薄膜。还有，由众多的压力“区”支承着各密封端面则可以尽量减少间隙的变化，并且可以尽量减小通常会由单一的较大压力“区”造成的热差，前述各项美国专利的一些螺旋式密封端面型状就会产生这种单一较大压力“区”。与每一凹槽20相关联的末端尖角24与常见的各凹槽相比，其数量较多，而这一较多的凹槽数目在轴转动以及向这些凹槽在各密封端面之间供送液体的时候提供有这样一个优点，即各密封端面之间的“升力”较为稳定。这各附加的升力来自在(或者邻近)各相邻的末端尖角24处与每一个凹槽20相关联的多个压力“区”。各末端尖角以及相关的各压力区的参差排列在密封端面开凹槽区段14上形成了一个较为宽广的承压基面。尽管压力区的分布较广会稍为减小由每一末端尖角24所产生的压力大小，但是各压力区在几个末端尖角24上的参差排列会增大各密封端面之间液体薄膜的刚度；刚度这一用语通常是在诸如美国专利No.4212475中予以定义的。

其次，尽管在每一压力区25处的压力大小相对地有所减小，但是各凹槽20的开口作用力，即使不大于，也是等于由常见的螺旋凹槽型状所造成的开口作用力。如果把通常的螺旋凹槽当作是一组二维弹簧，则这种凹槽将具有一些压力区或“弹簧”，它们提供开口作用力，从而以环圈模式形成密封间隙，而每个相应“弹簧”都处在同一半径上。这些“弹簧”可以给予一个任意的力值3，该力值部分地取决于越过每一凹槽的末端尖角的液体质量流量的大小。对于符合图1实施例的一个密封端面12，通过每一凹槽所泵送的同样数量的液体质量流量可以产生用于每一凹槽20的三个单独的压力区25或“弹簧”，而每一压力区可以提供一个比较值为1的开口作用力。由密封端面提供的总开口作用力是同样的，或者可能更大一些，因为在较低压力下，偏离在每一区的压力与由该区产生的开口作用力之间的直接相关关系的趋势是较小的。进而，开口作用力在密封端面12的一个较大面积上的分布已增添了各种稳定性优点，这在以下还要予以说明。

在任何单一的凹槽尖角压力区25处降低下来的分布压力值也趋向于使各密封端面之间形成略为较小的间隙，从而导致较少的泄漏。对于某一特定的密封设计，各密封端面之间的间隙可以借助改变密封环端面的某些其他参数，如台面与凹槽的比值、凹槽的深度和/或前导或后部边沿的倾角，而进行控制。具有较高液体刚性的较小间隙是比较稳定的，原因是，如果各密封环中有一个稍许歪斜，就会致使间隙宽度暂时闭合，而反作用的开口作用力就趋于重新开通间隙。亦即，因为某些末端尖角24配置得更接近于密封端面的外直径，所以得到的力矩力臂较大。於是，各密封圈端面之间的平行关系的不良影响，就要通过开口作用力的角度大小来消除，这是由于较大的力矩力臂所提供的“杠杆效用”，而这一作用力对此种密封的作用达到得比通常的槽式密封圈更快。

这种更为迅捷的反作用力也可以归因于初始间隙较小和增大的液体刚性，它们会更为快速地起作用，以便随着平行关系被扰乱这一情况出现之后而迅速“矫正”密封环。同样，在横跨密封端面在径向上分布的那些压力区的每一处的压力增高全都“压缩”在一起，以至于众多的压力区相当于一个“平面阵列弹簧”，而“平面阵列弹簧”所具有的弹性要比一个通常的密封环端面小得多，在通常的密封环端面上，一些弹簧的“环圈阵列”抗衡着闭合力。

本发明的密封端面凹槽20的另一个优点也是由于在每一单个凹槽20所产生的压力分布所导致的，在每一单个末端尖角24处压力降低的效果。在压力区25处流动液体的连续压力可以在紧邻每一末端尖角24的密封环端面上的某一区域处引起温度升高，而其位置大约与压力区25所指明的位置相同。在这些局部区域处密封环端面温度的升高会造成温度不成比例的变化，正如在密封表面不同局部区域测量的那样。

一条相应的较高温度的环状“带”也在相对的密封环端面上形成，这一温度“带”也是由连续地横过对置的密封环端面上相同环状区域的压力引起的。在对置的密封端面上达到的温度值并不是和在开凹槽的密封环端面上产生的一样地高，因为压力区25相对于在对置的密封端面上的某一局部区域是不断移动的。

任何一个压力区25的压力减小必然会降低在任何一个局部区域处的压力区造成的温度，於是，在整个密封端面的宽度上所取的温度梯度就降下来，而温度的升高分布在许多彼此分离的局部区域上，每区域均处于相对较低的温度。这就进一步使得横跨密封端面14的温度更加均匀，因为在跨越密封环端面12一个较大的径向区域内测量时，温度更为恒定。温度梯度降低和温度均匀性增大这二者都会使各密封环的热锥度或“翘曲”减至最小，这一点可保证在轴转动期间各密封端面之间的间隙具有更大的稳定性。

图3和图4表明，对于一些特定的密封，可使用改变凹槽深度的办法，以提供一种特制的，均匀分布的压力区形状。比如，在图3中，凹槽40是由台面42隔离开的。台面42与凸台36是同样高度。不过，每一凹槽40可以包括，例如，在每一凹槽内三个分离的、具有不同深度的表面44、46、48。图4更为清楚地表明在不同深度处的三个不同表面。沿径向最靠外的一部段为表面44，如在图3中表现为最接近密封端面30的圆周边缘38的凹槽部段。表面44相对于其他两个表面46和48处于最大深度处。中间部段是具有中等深度的表面46，而最靠内的一部段是具有最浅深度的表面48。

如图3所示，部段44、46的表面是由一条沿圆周方向伸展的线45分隔开的；而在部段表面46和48之间则有一条沿圆周方向伸展的边界47。於是，根据在同一凹槽40中的径向位置的不同，具有不同深度的、分隔开的沿圆周方向伸展的凹槽表面就形成了一台阶式的凹槽模式。

在液体进一步朝着末端尖角54泵送时，它要经历不断增大的表面44、46、48的高度。当从具有较深表面的一部段流向具有较浅深度表面的一部段时，高度的不断增大会进一步限制液体要泵入其中的体积，而这必然改变压力“区”55的特性。

图5和图6中的凹槽60类似于图3和图4中的实施例，只是相对于台面62的表面来说，凹槽60的不同部段的表面的凹槽深度有所变化。不过，具有表面64、66和68的不同凹槽部段既在径向上也在圆周方向上伸展，以至于部段表面64、66和68之间的边界65、67可平行于前沿边界61伸展。边界67也可以与凹槽边沿72共线地伸展，边沿72既沿圆周也沿径向方向伸展。

在图5所示实施例中，而在图6可更清楚地看到，长度最大的凹槽表面部段68从端面的外直径78伸到到最接近密封端面的内直径的一个末端尖角74。表面68相对于台面62也是最深的。位置最接近于与圆周边缘78相交的后部边沿72的最短凹槽64也具有最浅的表面。中间的凹槽表面部段66位于表面64和68之间，并且是处在两个凹槽部段64、68的两个表面之间的中等深度上。

当具有如上所述的凹槽60的密封环端面的密封环工作期间，密封环10将最好是与轴(未示出)一起转动。在别的地方已经提到过，有可能具有凹槽60的密封环是静止的，而对置的环(未示出)相对于此静止环是转动的。重要的是，这两个环彼此相对地转动，而且这种相对转动可提供一种泵送液体作用，流体被从一个密封端面的周缘至少部分地跨越密封端面朝向另一周缘泵送。

在优选的操作方法中，此密封环与轴(未示出)一起转动。随着此环如图5实施例中的箭头所示的逆时针转动，液体由邻近外边缘78在径向上伸展的凹槽向内供送。当作向内泵送液体时，由于构成多个尖角74中每个尖角的边沿72、76的会聚作用，流体也被导向多个尖角74中的一个。在部段表面64、66、68之间逐渐增加的高度进一步限制了在较为接近密封端面的外圆周边缘78的各末端尖角74中可以提供给液体的容积。各凹槽表面的边沿会聚和逐渐增加的高度一起导致被向内泵送的液体的压力形成一个紧邻多个尖角74中的每一个的压力区。进而，每一部段表面64、66、68在高度上的差异可以补偿较为接近各凹槽60的后部边界边沿63的部段在长度上的减少。

图7是图5和图6中所示实施例的一种可供选择的实施例的横截面视图。密封端面62′的总的形状包括有每一部段表面64、66、68的不同凹槽深度，该端面基本上与图5的密封端面中的相同，因而图7中的这些表面将用一个带撇号的数字标明，如64′、66′和68′。图7实施例中那些基本上等同于图5和图6实施例的其他元件，诸如圆周边缘78′，也用一个带撇号的数字标明。

密封环60′具有一个密封端面，其中各台面62′隔离开一些开凹槽的区域，这些区域具有相对于这些台面62′处于不同高度的表面64′、66′、68′。此外，在隔离开的凹槽表面64′、66′和68′之间的边界65′、67′进一步包括诸如公开在美国专利No.5090712中的一些微小凸台102，如本发明一样，该专利是共同发明的并转让给一个共同授让人。在该专利中的微小凸台的描述，于适当位置处，已作为参考并入本发明的叙述中。

微小凸台跟随着边界65′、67′，它们确定着总的螺旋形状。如图5和图6中边界65、67所作的一样。微小凸台102处于台面62′相同的高度上，并且在隔离开的凹槽部段表面64′、66′、68′之间构成一堵“墙”。最好是，微小凸台具有的宽度在从0.001到大约0.100英寸的范围内，并且优选的是每个0.025英寸宽。这些微小凸台102实际上把各部段表面分隔为彼此邻近的一些分离的凹槽。这些微小凸台102所起的作用可以认为是一种对不同凹槽部段的隔绝措施，以至于被供送到由每一部段表面64′、66′、68所限定的容积中去的液体有效地与被泵送到各邻近容积中去的液体隔离开来。据认为，隔绝功能可以在每一相关部段表面的容积之间更加均匀地分配被泵送的液体，从而更好地平衡被供送到每一尖角74′的液体质量流量的大小。

图8表明本发明的又一实施例，其具有一个密封环80，该密封环有更多的设置在密封端面82上的凹槽，用以形成更多的压力区。凹槽区84的形状作成环状的。密封环80的环状凸台86与图1实施例中的凸台16完全相同。在一个环形周缘处环状开凹槽区84由凸台86与开凹槽区之间的边界界定出，而在另一个环形周缘处，由密封环80的一个圆周边缘88界定，如图所示，其无论是内直径边缘，还是外直径边缘。

环状的开凹槽区84包括有凹槽90，它们围绕着密封端面82的一个周缘均匀地设置。凹槽90由设置在各相邻凹槽90之间的台面92分隔开来。圆周边缘88用作每一凹槽90的一个边界。至少两条另外的边界，一条前导边沿边界91和一条后部边沿边界93也确定出每一凹槽90的形状。边界91和93二者都一般在圆周上和径向方向上从一个密封端面圆周边缘88朝向另一个延伸。与其他各实施例中的一样，后部边沿边界93包括有几个边沿，其中的一对边沿形成每一个凹槽的多个末端尖角94。这些边沿可以是与在圆周上和径向方向上伸展的边沿98结合的沿圆周方向伸展的边沿96。

图1实施例中凹槽20的槽形状与图8实施例中凹槽90的形状之间的差别，在某种程度上体现在前导边沿边界91相对于密封端面的圆周边缘88的倾角上面。凹槽20(图1)的前导边界21相交于边缘18所形成的锐角要比图8实施例构成的相应锐角更为尖锐。较大的倾角并不会明显地有损于各凹槽90的泵送能力，但的确能提供一个有益之处，即每一凹槽90沿着圆周边缘88伸展的周向距离要短得多。也就是说，凹槽90沿着圆周边缘88的边界比起凹槽20的类似边界要划过一段大为缩短的弧长。这就使得有可能在密封端面82上设置数量更多的凹槽90，如图8中所示为18个凹槽，而相比之下，在密封环10的密封端面12(图1)中示出的是10个凹槽。

后部边沿边界93还可以由其他一些实施例中所示的“闪电”或图形构成。这类图形由沿径向和圆周方向伸展的边沿98与基本上沿圆周方向伸展的边沿96组成，以便把一个边沿98的一端，比如内直径端，连接于同一凹槽90的下一个相邻边沿96的对置的那一端，比如外直径端。

在圆周和径向方向上伸展的边沿98是沿着一个与前导边沿边界91一起会聚的共同方向配置的。每一边沿98最好是既不平行也不远离边沿边界91，因为远离的边沿91、98可能有损于会聚的边沿96、98的限制效果，而这些效果可能并非所需地趋向于彼此抵消。当液体从圆周边缘88向内沿着密封端面82泵送时，减少液体有效容积是很重要的。由前导边界边沿91与圆周边缘88形成的相对角度γ比由图1实施例中同样的两个边沿所形成的角度α大些。后部边沿98与圆周边缘88构成的角度δ大致上等于或稍大于角度γ。由于圆周边缘88上面借以量取角度γ、δ的各点的周向位移，因此，基本上相等的这两个角度可能趋于收扰。当然，一个大于角度γ的角度可能提供朝向某一扩展延长的相交点(未示出)更加会聚的三角形状。

可能需要对凹槽90的形状作出其他一些调整，以适应具有较大的角度γ。比如，对于大致为30°的角度γ，可能需要缩短或延长那些形成基本上沿圆周方向伸展的边沿96的弧线。

在这方面一个重要的考虑是相对于同一凹槽的其他一些尖角94而朝着并越过每一末端尖角94泵送的“质量流量”或相等的液体容积。理想的情况是，凹槽90送往每一末端尖角94的质量流量等于送往其他一些尖角94的质量流量。这样，流体的量以及在每一“压力区”所产生的最终压力就大致上等于在其他一些末端尖角94所产生的压力。於是，跨越密封端面的许多离散区域内的压力均衡或相等以及这些面积在密封端面的一个较宽的径向区域上的分布就保证了每一压力区的升力大致相等的特性和在每一凹槽90的末端尖角94处的热传的大致相等。其次，能够沿着密封环80的开凹槽区84设置较多的凹槽也在较大程度上把质量流量分配给较多的末端尖角94，从而进一步降低在每一尖角94处所形成的单独压力。

压力分布在一个较大区域上还可以保证各密封端面之间密封间隙的稳定性，因为压力较大区域位于密封端面的一个较长的径向区段上。如果观查如图2中所示的横剖面，最接近圆周边缘18的压力区25处于离开密封环10的形心100远得多的位置上。压力区远离形心100可以保证相对形心100的一个较大的力矩力臂。这一较大的力矩力臂可以稳定密封间隙，因为它形成了一个比较灵敏和快速反应负反馈回路，使得在校正力作用于密封环上，可以较为快速地把各个密封端面引向平行对正状态。

一旦对本发明有所了解，本技术领域中的一般技术人员都会予见到其他一些改型是有可能的。比如，可以沿径向方向也可沿圆周方向制成凹槽表面高度的差别，以便提供一种“看台”型状，最深的凹槽部段处在最接近圆周边缘的凹槽前导边界处，并且在向内既在径向上也在圆周方向上计量时高度则不断加大。这一点可以利用图3、图4和图5、图6两项实施例所启示的凹槽深度变化的思想来实现。另外一些改型也是可以予见到的，诸如改变由边界21、23和圆周边缘18所构成的角度等。

其他一些变更，诸如使各横向部分26不仅沿圆周方向而且在较小的程度上也沿径向方向伸展，而这些构思都将落在本发明的范畴之内。

Claims (12)

1.一种机械端面密封，用于在可相对转动的一对零件之间提供密封，其包括适于非转动地安装在一个所述元件上并相对所述一个元件进行密封的第一密封环；适于非转动地安装在另一件元件上并相对所述另一个元件进行密封的第二密封环，所述第二密封环安装得与第一密封环沿轴线对中；以及设置促使第一密封环的密封面弹性地与第二密封环的密封面进入轴向密封接合的装置。一个所述密封环的密封端面具有多个围绕其周缘按角度间隔开来的开凹槽区域，这些开凹槽区域向密封端面的一个边缘开通，在开凹槽区域与密封端面的另一个边缘之间配置着一个连续的环状凸台层，每一凹槽区域具有：

至少两条边界，一条所述边界是相对于在所述密封端面之间以一个所述相对转动的方向的转动而尾随；而另一条所述边界相对于所述各密封端面的相对转动的转动而前导，所述尾随边界是由在相对于圆周边缘向前倾斜的平面中的边沿和沿着圆周方向延伸的与向前倾斜的边沿在多个末端凹槽尖角处相交的横向边沿形成的。

2.如权利要求1所述的端面密封，其中所述各向前倾斜的边沿相对于所述密封端面周向边缘的角度在大约5°与85°之间。

3.如权利要求2所述的端面密封，其中所述各向前倾斜的边沿相对于所述密封端面周向边缘的角度大约是19°。

4.如权利要求1所述的端面密封，其中开凹槽区段还包括多个凹槽，有一凹槽具有不同高度的凹槽表面，每一凹槽表面形成一个不连续的螺旋凹槽表面，该表面至少部分地以总体螺旋途径从所述两只密封环之一的端面的一条周缘向内伸展，所述不连续螺旋凹槽表面进一步由一些微小凸台形成，这些微小凸台构成每个所述不连续螺旋凹槽表面的至少一条边界，每一所述不连续螺旋凹槽表面通过至少部分地跨越密封端面开凹槽区段而从一条周向边缘向内伸展的所述一些螺旋式微小凸台而使其与每一相邻的不连续螺旋式凹槽表面分隔开来。

5.如权利要求4所述的端面密封，其所述多个凹槽的相邻各凹槽彼此是由一些台面、微小台面隔离开的，相对于密封端面表面，各微小凸台处于与各台面同样的高度。

6.一种机械端面密封，用于在可相对转动的一对元件之间提供密封，其包括适于非转动地安装在一个所述元件上并相对所述另一个元件进行密封的第一密封环；适于非转动地安装在另一个元件上并相对所述另一个元件进行密封的第二密封环，所述第二密封环安装得与第一密封环沿轴向对中；以及设置促使第一封环的密封端面与第二密封环的密封端面进入轴向接合的装置，一个所述密封环的密封端面具有多个围绕其周缘按角度间隔开来的开凹槽区域，这些开凹槽区域朝向密封端面的一个边缘开口，在开凹槽区域与密封端面的另一边缘之间配置有一个连续的环状凸台层，所述开凹槽区域具有：

多个按角度配置的凹槽，这些凹槽部分地跨越密封端面从密封端面的一个周向边缘朝着另一周向边缘，在某一给定方向上，沿径向和沿圆周方向伸展，每一所述凹槽具有至少两条边界，每条边界均沿径向和沿圆周方向伸展，其中一条所述边界具有多个末端尖角。

7.如权利要求6所述的端面密封，其中每一凹槽边界的每一末端尖角包括一条沿径向和沿圆周方向伸展的第一边沿和一条横向的、总体上沿圆周方向伸展的第二边沿。

8.如权利要求7所述的端面密封，其中所述沿圆周和沿径向方向伸展的各边沿相对于所述密封端面的圆周边缘的角度在大约5°和85°之间。

9.如权利要求8所述的端面密封，其中所述沿圆周和沿径向方向伸展的各边沿相对于所述密封端面的圆周边缘的角度大致是19°。

10.如权利要求6所述的端面密封，其中至少一条大体上沿圆周方向伸展的边沿连接着同一边界的两个相邻的第一边沿的端点。

11.如权利要求6所述的端面密封，其中所述多个凹槽的各相邻凹槽彼此由各台面间隔开，而每一凹槽包括多个沿径向和沿圆周方向伸展的部段，每一部段具有相对于各台面的表面与同一凹槽中的其他各部段的表面处于不同高度的一个表面。

12.如权利要求11所述的端面密封，其中具有彼此相对处于不同高度的各个表面的所述许多凹槽部段彼此由一些微小凸台间隔开，这些微小凸台相对于密封端面表面处于与各台面相同的高度上。

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