CN112703341B - 带有具有通道的密封面的机械密封件 - Google Patents
带有具有通道的密封面的机械密封件 Download PDFInfo
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Abstract
一种用以密封受压流体的密封组件，且可包括具有密封面的一对环形配合环。所述密封面中的至少一者可限定环中的一者的径向内边缘与径向外边缘之间的密封界面。所述密封面中的至少一者可包括用于接收受压流体的通道。通道可包括周向通道和一个或多个径向通道。径向通道可包括第一径向通道，该第一径向通道从周向通道延伸到密封面的第一边缘，该第一边缘与受压流体相邻。径向通道可包括第二径向通道，该第二径向通道从周向通道朝向密封面的第二边缘延伸，该第二边缘与相对于受压流体而处于较低压力下的流体相邻。
Description
技术领域
本公开总体上涉及用于流体的旋转式机械密封件。更特别地，本公开涉及包括密封面的密封件，所述密封面被构造成促进流体在密封面之间的渗透。
背景技术
密封件用于广泛多种应用中，包括例如液体泵、混合器、搅拌器等，以提供不透流体的密封。这种密封件用于在例如化学、制药、天然气和石油、发电、采矿和矿物、食品和饮料、纸浆和纸张加工、废水和水管理以及制冷行业中在旋转轴与壳体之间进行密封。示例密封件是端面密封件。端面密封件包括密封界面，该密封界面由待密封的流体或引入到密封件中的单独的阻挡流体（barrier fluid）进行润滑。当密封界面由待密封的流体（例如，过程流体）进行润滑时，可经由流体静力学效应和/或流体动力学效应将待密封的流体驱入密封界面中。流体动力学效应利用在密封界面的旋转部分旋转时产生的力来促进将过程流体引入到密封界面中，而流体静力学效应仅利用由跨密封界面的压力差造成的力来促进将过程流体引入到密封界面中。
发明内容
本公开总体上涉及用于流体的旋转式机械密封件，且更特别地涉及用于减小形成密封界面的密封面之间的摩擦的装置、系统和方法。
根据一个实施例，公开了一种流体静力学密封组件。该密封组件包括：第一环，其具有被第一边缘和第二边缘限制边界的第一侧；以及第二环，其具有面向第一侧的第二侧。在该实施例中，周向通道沿着第一侧在第一边缘与第二边缘之间延伸并且与第一边缘和第二边缘间隔开，多个子通道沿着第一环的第一侧从周向通道延伸，并且第一环和第二环在第一侧与第二侧之间形成密封。
在任何先前实施例的密封组件中，所述多个子通道包括多个第一子通道，所述多个第一子通道沿着第一环的第一侧从周向通道延伸到第一边缘。
在任何先前实施例的密封组件中，周向通道和所述多个第一子通道促进在第一环的第一侧与第二环的第二侧之间引入流体，从而在第一环的第一侧与第二环的第二侧之间引起流体静力学升力。
在任何先前实施例的密封组件中，其中，所述多个子通道包括多个第二子通道，所述多个第二子通道沿着第一侧从周向通道朝向第二边缘延伸。
在任何先前实施例的密封组件中，从周向通道延伸的所述多个子通道位于第一环的第一侧上，使得所述多个第一子通道中的第一子通道和所述多个第二子通道中的第二子通道沿着周向通道的长度以交替的顺序从周向通道延伸。
在任何先前实施例的密封组件中，所述多个第二子通道中的第二子通道从周向通道延伸到与第二边缘间隔开的终端部（terminal end）。
在任何先前实施例的密封组件中，所述多个第一子通道中的每个第一子通道之间的周向距离与每个第一子通道的径向跨度之比约为8。
在任何先前实施例的密封组件中，第一环的第一边缘被构造成在密封件的加压侧上。
在任何先前实施例的密封组件中，密封件被构造成提供密封以抵抗密封件的加压侧上的在约600 psi至约1000 psi的范围内的压力。
在任何先前实施例的密封组件中，所述多个第一子通道中的每个子通道之间的周向距离与每个子通道的径向跨度之比约为4。
在任何先前实施例的密封组件中，周向通道与第一边缘和第二边缘中的一者或两者同轴。
在任何先前实施例的密封组件中，第一环的第一侧具有从第一边缘延伸到第二边缘的宽度，并且周向通道与第一边缘间隔开的距离是第一环的第一侧的宽度的三分之一。
在任何先前实施例的密封组件中，周向通道具有约0.002英寸的深度。
在任何先前实施例的密封组件中，周向通道的宽度在约0.001英寸与0.006英寸之间。
在任何先前实施例的密封组件中，第一环的第一侧和第二环的第二侧中的一者或两者由选自由以下各者组成的组的一种或多种材料形成：碳、碳化硅和碳化钨。
在任何先前实施例的密封组件中，周向通道包括第一周向通道部分以及与第一周向通道部分流体地分离的第二周向通道部分。
还公开了一种液体密封系统，其被构造成在限定其中具有加压流体的孔的壳体与延伸穿过该孔的可旋转轴之间提供密封。该密封系统包括：第一环形环，其具有第一密封面；以及第二环形环，其具有面向第一密封面的第二密封面。环形通道沿着第一密封面延伸，并且多个径向通道沿着第一密封面从环形通道延伸。所述多个径向通道经由环形通道被流体地连接。第一密封面和第二密封面经由接收在环形通道中的流体而相互作用以形成流体静力学密封件。
在任何先前实施例的密封系统中，第一组所述多个径向通道从环形通道延伸到第一密封面的第一边缘。
在任何先前实施例的密封系统中，第二组所述多个径向通道从环形通道延伸到与第一密封面的第二边缘间隔开的终端部。
在任何先前实施例的密封系统中，第一密封面的第一边缘是第一环形环的内边缘，并且第一密封面的第二边缘是第一环形环的外边缘。
在任何先前实施例的密封系统中，第一密封面的第一边缘是第一环形环的外边缘，并且第一密封面的第二边缘是第一环形环的内边缘。
在任何先前实施例的密封系统中，第一密封面的第一边缘相比于第一密封面的第二边缘而在流体静力学密封件的较高压力侧上。
在任何先前实施例的密封系统中，第一组所述多个径向通道中的每个径向通道从环形通道延伸一径向通道距离，并且第二组所述多个径向通道中的每个径向通道从环形通道延伸该径向通道距离。
在任何先前实施例的密封系统中，第一环形环由多个部件形成。
在任何先前实施例的密封系统中，第一密封面和第二密封面由碳化硅形成。
在任何先前实施例的密封系统中，环形通道和所述多个径向通道促进在第一密封面与第二密封面之间引入流体，以在第一密封面与第二密封面之间引起流体静力学升力。
在任何先前实施例的密封系统中，环形通道和所述多个径向通道形成用于来自壳体的孔内的加压流体的连续通路。
应理解，任何先前公开的密封组件均可以被包括在密封系统中。
还公开了一种形成用于流体静力学密封组件的环形环的方法。该方法包括：在环形环的表面中形成周向通道；以及在环形环的表面中形成多个第一径向通道，所述多个第一径向通道从周向通道延伸到表面的第一边缘。周向通道流体地连接环形环的表面中的所述多个第一径向通道。
在任何先前实施例的方法中，该方法可以进一步包括：在环形环的表面中形成多个第二径向通道，所述多个第二径向通道从周向通道朝向表面的第二边缘延伸。周向通道可以流体地连接环形环的表面中的所述多个第一径向通道以及在环形环的表面中的所述多个第二径向通道。
在任何先前实施例的方法中，所形成的周向通道、所述多个第一径向通道和所述多个第二径向通道占据环形环的表面的不到百分之五的表面积。
在任何先前实施例的方法中，所形成的周向通道、所述多个第一径向通道和所述多个第二径向通道经由激光雕刻而形成。
在任何先前实施例的方法中，周向通道和所述多个第一径向通道具有约0.002英寸的深度。
在任何先前实施例的方法中，周向通道和所述多个第一径向通道的宽度在约0.001英寸至约0.006英寸的范围内。
提供前面的发明内容以有助于理解本公开独有的一些创新特征，而不旨在为完整描述。通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为整体，可以获得对本公开的全面了解。
附图说明
考虑结合附图对各种示例性实施例的以下描述，可更完整地理解本公开，在附图中：
图1是示意性剖视图，其描绘了在壳体与旋转轴之间的本公开的示例性密封组件的一部分；
图2是密封组件的示例性环的示意性平面图，该密封组件具有带有通道的密封面构型；
图3是密封组件的示例性环的示意性平面图，该密封组件具有带有通道的密封面构型；
图4是在圆4内的图2的示例性环的一部分的示意性放大平面图；
图5是沿着线5-5截取的图4的示例性环的示意性横截面图；
图6是沿着线6-6截取的图4的示例性环的示意性横截面图；以及
图7是沿着线7-7截取的图7的示例性环的示意性横截面图。
尽管本公开易于进行各种修改和替代形式，但是其细节已通过示例在附图中示出并且将被详细描述。然而，应理解，不意图将本公开的方面限于所描述的特定示例性实施例。相反，意图覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。
具体实施方式
对于以下定义的术语，除非是在权利要求或者是在本说明书的其他地方给出了不同的定义，否则应当应用这些定义。
无论是否明确指示，本文中都假定所有数值均由术语"约"修饰。术语"约"通常指代本领域技术人员将认为是与所叙述值相当（例如，具有相同的功能或结果）的数值范围。在许多情况下，术语"约"可包括四舍五入为最近的有效数字的数字。
由端点对数值范围的叙述包括在该范围内的所有数字（例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5）。
如本说明书和所附权利要求中使用的，除非内容另有明确指示，否则术语“直径”通常是在其作为一条从物体的一侧穿过到达另一侧的线的意义上采用的。在一些情况下，物体的直径可穿过物体的中心和/或可以是从物体的一侧穿过到达另一侧的最长线。
如在本说明书和所附权利要求中使用的，除非内容另有明确指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指示物。如在本说明书和所附权利要求中使用的，并且尽管有时在本文中明确叙述术语“和/或”，但是除非内容另有明确指示，否则术语"或"通常是在其包括“和/或”的意义上采用的。
注意，本说明书中对"一实施例"、"一些实施例"、"其他实施例"等的提及指示所描述的实施例可包括一个或多个特定的特征、结构和/或特性。然而，这种叙述并不一定意味着所有实施例都包括所述特定的特征、结构和/或特性。附加地，当结合一个实施例来描述特定的特征、结构和/或特性时，应理解，无论是否明确描述，也都可结合其他实施例来描述中这种特征、结构和/或特性，除非明确陈述为相反。
应参考附图来阅读以下详细描述，其中不同附图中的类似元件被编号为相同。不一定按照比例的附图描绘了示例性实施例，并且不旨在限制本发明的范围。
机械密封件可呈现多种构型。在利用旋转轴或部分的泵、混合器、搅拌器和/或其他系统中，可利用旋转式机械端面密封件来有助于壳体与旋转轴之间的不透流体的密封。这种端面密封件可包括与壳体或旋转轴相关联的轴向固定的环形环（例如，配合环）以及与壳体或旋转轴中的另一者相关联的轴向可调节的环形环（例如，主环）。轴向固定的环和轴向可调节的环可包括沿着密封界面彼此成相对旋转密封的关系的密封面。
图1描绘了密封组件10（例如，旋转式端面密封组件）中的示例性密封布置，其在密封面的外边缘处具有过程压力或高压力且在密封面的内边缘处具有环境压力或低压力（例如，比过程压力或高压力低的压力）。然而，所构想的是，过程压力或高压力可在密封面的内边缘处，且环境压力或低压力可在密封面的外边缘处。图1中所描绘的密封布置可被构造成密封流体，诸如液体和/或气体。尽管本文中所讨论的密封组件10和构型可主要关于密封作为液体的过程流体来讨论（例如，使得密封组件10是液体密封组件或系统），但是所构想的是，可利用密封组件10和构型来密封作为气体的过程流体（例如，使得密封组件10为气体密封组件或系统）。
图1中所描绘的密封组件10可将流体密封在由壳体14和附接的压盖板（glandplate）15限定的室12内。轴16可延伸穿过壳体14。在一些情况下，轴16可被构造成相对于壳体14旋转，并且可提供密封件以抑制或减轻流体从轴16与壳体14相交（meet）的室中泄漏。
除其他部件以外，密封组件10可包括密封环构型，该密封环构型包括主环28（例如，第一环或第一环形环）和配合环18（例如，第二环或第二环形环）。如图1中所描绘的，配合环18可被构造成与轴16一起旋转，并且主环28可以是轴向可调节的并且相对于配合环18旋转固定。然而，可以以不同的相对构型来构造配合环18和主环28，包括但不限于主环28与轴16一起旋转且配合环18相对于主环28保持旋转固定。
如图1中所描绘的，配合环18可通过一个或多个销22而相对于套筒20旋转固定。套筒20可安装在轴16上，并且可与轴16一起旋转，从而引起配合环18也与轴16一起旋转。O形环26可将配合环18密封到套筒20，以防止过程流体通过配合环18与套筒20的连接而泄漏。配合环18可包括配合环密封面24（例如，环形密封面或呈现一种或多种其他合适的构型的密封面），该配合环密封面由第一边缘或外边缘以及第二边缘或内边缘限定。进一步地，配合环18可由单个部件或者可连接以形成环形环的两个或更多个可分离部件构造而成。
主环28可被保持在压盖适配器组件30内，如图1中所描绘的那样。主环28可包括主环密封面32（例如，环形密封面或呈现一种或多种其他合适的构型的密封面），该主环密封面由第一边缘或外边缘以及第二边缘或内边缘限定。主环密封面32可被构造成与配合环密封面24相互作用以形成密封组件10的密封界面35。进一步地，主环28可由单个部件或者可连接以形成环形环的两个或更多个可分离部件构造而成。
主环28可由偏置机构34（例如，弹簧或其他合适的偏置机构）轴向地偏置。偏置机构34可将主环28朝向配合环18偏置，从而促使（urge）主环密封面32与配合环密封面成面对面密封的关系，以形成密封界面35。在一些情况下，盘形件（disk）33可轴向地位于偏置机构34与主环28之间。
密封组件10、壳体14和压盖板15和/或其他合适的部件可将室12中的压力区P2（例如，压力区域或过程区）限定为在密封界面35的上游。低压区P1可存在于密封界面35的下游。图1中所描绘的密封构型可称为外直径（O.D.）加压密封组件10，其中加压的过程流体与密封界面35的外直径相邻。
沿着主环密封面32和配合环密封面24的密封界面35可抑制过程流体从高压力区P2逸出到低压力区P1。因为在图1中所描绘的构型中，配合环密封面24沿径向方向比主环密封面32宽，因此密封界面35可与主环密封面32的径向范围具有同等范围（coextensive）。在替代性构型中，密封界面35可由抵靠主环密封面32操作的配合环密封面24限定，该主环密封面的径向宽度大于配合环密封面24的径向宽度。
在一些情况下，可在壳体内的压力下经由流体（例如，液体和/或气体的过程流体）对密封界面进行润滑，其中经由流体动力学效应和/或流体静力学效应将流体引入到密封界面。为了有助于利用流体动力学效应将过程流体引入到密封界面，密封界面的一个或多个密封面可包括表面纹理化，该表面纹理化在密封界面的旋转部分旋转时促进将过程流体引入到密封界面中。这种表面纹理化可包括在形成密封界面的密封面中的一者或两者上应用液体缓冲垫（hydro-pad）释放区域或凹陷部。在美国专利号4,407,512中公开了包括液体缓冲垫释放区域或凹陷部的密封面的一个示例，该专利出于所有目的通过引用整体地并入本文中。在美国专利申请序列号14/875,098（并且公开为US 2016/0097456 A1）中公开了包括液体缓冲垫释放区域或凹陷部的密封面的另一个示例，该专利申请出于所有目的通过引用整体地并入本文中。
用以促进密封面之间的润滑的其他表面纹理化技术包括微凹坑表面纹理化。典型的微凹坑的直径约为0.004英寸，且凹坑深度约为0.0002英寸，这导致凹坑的尺寸与深度之比近似为约二十（20）。在一些情况下，已在密封组件的密封面上利用约百分之二十的凹坑面积密度。
尽管在密封件的旋转部分的旋转期间可依靠流体动力学效应和已知的表面纹理化来对密封组件的密封界面进行润滑，但是已发现，在静压力条件下并且在起动密封件的旋转部分（例如，被构造成与泵的旋转轴一起旋转的部分）时会期望更好的润滑，以最小化或减轻密封面损坏。在起动密封件的旋转部分的旋转时确保充分润滑特别值得关注，此时过程流体被保持在高压力下和/或过程流体具有特别的化学成分，因为可以承受高压力而不变形和/或抵制化学腐蚀的硬质材料可被利用于形成密封界面的密封面。
被利用于形成密封界面的密封面的示例材料包括但不限于碳（C）、碳化硅（SiC）、碳化钨（WC）等。被利用于形成密封界面的密封面的硬质材料可包括SiC、WC等。
在密封界面处使硬质材料碰到硬质材料可引起密封面上的磨损并限制密封组件的寿命。尽管密封组件可被构造成使得由硬质材料形成的密封面中的一者可包括无光饰面（finish）且另一密封面可具有普通抛光饰面以有助于由于流体静力学效应而将过程流体引入到密封界面中，但是由于无光饰面与普通抛光饰面之间的间隙更大，因此这种无光饰面可减小普通抛光饰面的一些流体动力学负荷支撑能力。附加地，尽管可利用液体缓冲垫面图案化或纹理化来帮助促进在密封组件的旋转期间将过程流体引入到密封界面中，但是申请人已意识到，这种构型可增加泄漏，而不会在静态压力情况下（例如，在起动等时）充分鼓励密封界面处的润滑。然而，已发现，如本文中所讨论的，将通道（例如，微通道表面纹理化图案）施加到形成密封界面的密封面中的一者或两者可增加过程流体到密封界面中的渗透（特别是在泵起动时和/或在静态加压条件下），以相对于在利用液体缓冲垫图案化时所期望的泄漏而言具有较低的泄漏来分离密封面。
图2-7描绘了主环密封面32的构型，该主环密封面被构造成促进在主环密封面32与配合环密封面24之间引入过程流体。尽管本文中关于主环28来讨论图2-7中所描绘的密封面构型，但附加地或替代地，可在配合环密封面24上利用这种构型。
图2和图3描绘了主环28的平面图，其示出了由主环28的第一边缘36（例如，径向外边缘或外围）和第二边缘38（例如，径向内边缘或外围）限定的主环密封面32。尽管第一边缘36在本文中被描绘和描述为外边缘且第二边缘38在本文中被描绘和描述为内边缘，但所构想的是，第一边缘36可以是内边缘，且第二边缘38可以是外边缘。主环密封面32限定一个或多个通道，所述通道被构造成促进经由流体静力学效应将过程流体引入密封界面的密封面之间。
在图2中所描绘的构型中，第一边缘36可被构造成暴露于过程流体和相关联的压力。本文中所讨论的密封面构型可被构造成在用于维持受压流体的密封组件10中加以利用。例如，密封面构型可被构造成当受压流体被保持在从约100磅/平方英寸（psi）或更小到约2000 psi或更大的范围内或其他合适的范围内时有助于密封界面内的润滑。在一个示例中，密封面构型可被构造成当受压流体被保持在从约600 psi到约1000 psi的范围内时有助于密封界面内的润滑。
图2的主环密封面32中所描绘的通道可包括一个或多个周向通道40（例如，当存在两个或更多个周向通道40时，周向通道40可以是同轴的和/或呈现一种或多种其他合适的构型）和多个子通道42（例如，径向通道或从周向通道40径向地延伸的其他通道）。在一些情况下，多个子通道42可从周向通道40延伸，使得周向通道40和多个子通道42中的至少一些可被流体地连接和/或可形成连续通路。通道的这种构型可有助于将流体引导到密封组件10的密封界面中、沿着密封界面的周向部分布流体，并且增加密封面（例如，主环密封面32和配合环密封面24）之间的流体开启力（fluid opening force），以减小密封面上的机械负荷并改善密封性能。
通道（例如，周向通道40和子通道42）可被构造成占据主环密封面32的表面积的期望百分比，使得可减轻过程流体的泄漏。例如，通道可被构造成占据主环密封面32的表面积的不到约百分之十（10）、不到约百分之五（5）和/或其他合适量。在一个示例中，通道可被构造成占据主环密封面32的表面积的约百分之三（3）。
周向通道40可具有环形构型（例如，环形通道，其具有在主环密封面之上或之中形成环的单个连续周向通道段或部分，如图2中所描绘的那样），或者周向通道40可由彼此间隔开的多个周向通道段或部分形成（例如，如图3中所描绘的那样）。当周向通道40由多个周向通道段或部分形成时，周向通道40可包括两（2）个周向通道段（例如，图3中所描绘的周向通道段或部分40a、40b）、三个（3）周向通道段或部分、四（4）个周向通道段或部分或者其他合适数量的周向通道段或部分。在一些情况下，所述多个周向通道段或部分中的每一者可位于距主环28的中心轴线相同的距离处。
周向通道40可呈现合适的构型以用于沿着主环密封面32分布流体。根据需要，示例构型可包括但不限于圆形构型、椭圆形构型、星形构型和/或其他合适的构型。在一个示例中，周向通道40可大致为圆形，并且可与主环28的第一边缘36和第二边缘38中的一者或两者同轴。
周向通道40可被定位在主环的第一边缘36与第二边缘38之间的任何位置处。在一些情况下，周向通道40可与第一边缘36和第二边缘38间隔开。例如，主环密封面32可在第一边缘36与第二边缘38之间具有密封面宽度S，并且周向通道40（例如，周向通道40的中心）可位于距第一边缘36或在其他方面距被构造成与过程流体相邻的边缘具有密封面宽度S的距离的四分之一到二分之一的范围内或其他合适的范围内的位置处。在一个示例中，周向通道40可位于距第一边缘36具有密封面宽度S的距离的三分之一的位置处，如图2和3中所描绘的那样。
多个子通道42可包括多个第一子通道42a和多个第二子通道42b。替代地，多个子通道42可仅由多个第一子通道42a组成。
多个第一子通道42a可从周向通道40延伸到限定主环密封面32的第一边缘36。这种构型可有助于促进过程流体进入密封界面35中，因为与周向通道连通的多个第一子通道提供使加压的过程流体进入密封界面35的途径（avenue）、经由周向通道40和流体静力学效应而围绕密封界面35循环、以及当以与图1中所描绘的构型类似的方式使用时在主环密封面32和配合环密封面24之间引起流体静力学升力。这种构型可在流体静力学条件下在主环密封面32和配合环密封面24之间形成流体静力学密封，其中流体静力学密封被称为非接触式机械密封，其分离用于在两个相邻密封面之间建立平衡压力区的两个不同的压力区。
多个第二子通道42b可从周向通道40朝向限定主环密封面32的第二边缘38延伸。这种构型可通过提供相比于周向通道40的位置而使过程流体更深地渗透到密封界面35中的途径来有助于过程流体促进主环密封面32与配合环密封面24之间的流体静力学升力。在一些情况下，多个第二子通道42b中的一者或多者可在到达第二边缘38之前具有终端部44，使得过程流体可用于对密封界面35进行润滑，同时减轻过程流体通过密封界面35的泄漏。
多个第二子通道42b可从周向通道40朝向第二边缘38延伸一定距离。对于所有第二子通道42b而言，第二子通道42b中的每一者延伸的距离可类似或相同，或者第二子通道42b中的一者或多者可从周向通道40朝向第二边缘38延伸的距离不同于第二子通道42b中的至少一个其他第二子通道可延伸的距离。在一些情况下，第二子通道42b可延伸的距离在密封面宽度S的距离的四分之一到二分之一的范围内或其他合适的范围内。在一个示例中，多个第二子通道42b中的一者或多者可延伸的距离为密封面宽度S的距离的三分之一，如图2和图3中所描绘的那样。
当两种情况都被包括在主环密封面32的构型中时，多个第一子通道42a和多个第二子通道42b可相对于彼此以合适的方式来构造。例如，多个第一子通道42a中的第一子通道42a可与多个第二子通道42b中的一者在同一位置处从周向通道40延伸，多个第一子通道42中的第一子通道42a和第二子通道42b可沿着周向通道40的长度以交替或错开的顺序从周向通道40延伸（例如，如图2和图3中所描绘的那样），和/或多个第一子通道42a可相对于多个第二子通道42b如何被构造在主环密封面32上而以一种或多种其他合适的方式被构造在主环密封面32上。
子通道42可沿着周向通道40彼此间隔开合适的距离。在一些情况下，子通道42可沿着周向通道的长度彼此间隔开一致的距离，但是这不是必需的。在一个示例中，同一类型的子通道42之间（例如，两个第一子通道42a之间或两个第二子通道42b之间）的角距（angular separation）可在从约十（10）度到约三十（30）度的范围内或其他合适的范围内。替代地或另外，子通道42之间的距离可基于同一类型的子通道42之间的周向距离CD与子通道42的径向跨度RS（例如，从周向通道40的中心到第一子通道42a或第二子通道42b的终端部的距离）之比。同一类型的子通道42之间的周向距离CD与子通道42的径向跨度RS之比可在从约四（4）到约二十（20）的范围内或其他合适的范围内。在一个示例中，同一子通道类型的子通道42可沿着周向通道40的长度而间隔开，使得同一类型的子通道42之间的周向距离CD与同一类型的子通道42的径向跨度RS之比可约为或可以是八（8）或更小，以有助于促进在密封界面35处的流体静力学升力，同时减轻过程流体通过密封界面35的泄漏。替代地或另外，当第一子通道42a和第二子通道42b沿着周向通道40的长度一致地或相等地错开时，任何两个相邻子通道42之间的周向距离与子通道的径向跨度之比可以是或可约为四（4），以有助于促进在密封界面35处的流体静力学升力，同时减轻过程流体通过密封界面35的泄漏。根据需要，可利用其他比值来确定要利用的子通道的数量和/或相邻子通道42之间的间距。
图4是在圆4内的图2中的示例性主环28的一部分的放大图。如图4中可以看到，第一子通道42a具有宽度W1，第二子通道42b具有宽度W2，且周向通道40具有宽度W3。在一些情况下，宽度W1、W2、W3可相同，然而，所构想的是，一个或多个通道的宽度可不同于至少一个其他通道的宽度。在一些情况下，宽度W1、W2、W3可被构造成有助于过程流体流过通道。宽度W1、W2、W3可在合适的宽度范围内，诸如在从约0.001英寸延伸到约0.006英寸的范围内或其他合适的范围内。在一示例中，宽度W1、W2、W3可约为0.005英寸。
图5-7描绘了分别沿着图4的线5-5、6-6和7-7截取的主环28的横截面。在图5的横截面中，周向通道40在主环密封面32中被描绘为具有深度D3。在图6的横截面中，第一子通道42a被描绘为从周向通道40延伸到主环28的第一边缘36，其中第一子通道42a在主环密封面32中被描绘为具有深度D1。在图7的横截面中，第二子通道42b被描绘为从周向通道40延伸到其终端部44，其中第二子通道42b在主环密封面32中被描绘为具有深度D2。
通道的深度D1、D2、D3可彼此相等，或替代地，深度D1、D2、D3中的一者或多者可不同于深度D1、D2、D3中的另一者。在一些情况下，深度D1、D2、D3可被构造成通过促进将过程流体引入到通道（例如，周向通道40和/或子通道42）中来有助于在密封界面35处的流体静力学升力。示例性地，这些深度可在0.001英寸至0.005英寸的范围内或其他合适的范围内。在一个示例中，深度D1、D2、D3可等于约0.002英寸，这比用于凹坑表面纹理化的约0.0002英寸的深度深一个数量级。这种深度的通道可有助于用作流体的储器（例如，在失去加压流体的情况下）和/或用于从密封面（例如，主环密封面32和/或配合环密封面24）收集磨屑（如果有的话），这可有助于延长密封组件10的寿命。
主环28的上文所描述的通道可以以能够在硬质材料（例如，碳化硅、碳化钨等）中形成通道的合适的方式而形成在主环28（或配合环18）中。在一些情况下，可利用激光（例如，经由激光雕刻或烧蚀和/或其他激光雕刻或烧蚀技术）或其他合适的机加工应用来在主环28的主环密封面32的表面和/或配合环18的密封面24的表面中形成周向通道40和/或子通道42（例如，第一子通道42a和/或第二子通道42b），使得所形成的周向通道40和所形成的子通道42被流体地连接（例如，在一些情况下，被流体地连接的所形成的周向通道40和所形成的子通道42可形成连续通路，以有助于加压的过程流体围绕密封界面35行进）。激光或其他合适的机加工应用可特别地被构造成形成达到本文中所描述的深度和宽度的通道，这些通道促进将加压的过程流体引入到密封界面35中，同时减轻过程流体一路通过密封界面35的泄漏。
如上文所讨论的，密封组件10中的密封面的通道可以以多种方式构造，以有助于改善密封界面的密封面之间的升力（例如，流体静力学升力）并减少密封面上的磨损。下文是并入了上文所讨论的示例性概念的密封面的示例非限制性密封构型。
在示例中，具有百分之七十（70）平衡比并利用SiC作为主环密封面和配合环密封面的材料的四（4）英寸外直径密封组件可包括周向通道和主环密封面上的多个子通道。该周向通道和这些子通道的深度约为0.002英寸且宽度约为0.005英寸。周向通道可以是环形，并且位于主环密封面距主环密封面的外直径的宽度的约三分之一处，所述多个子通道中的第一子通道可从周向通道延伸到密封面的外直径周向部，并且所述多个子通道中的第二子通道可从周向通道朝向密封面的内直径周向部延伸主环密封面的宽度的约三分之一。第一子通道和第二子通道可彼此错开相等的距离。同一子通道类型的子通道可沿着周向通道的长度而间隔开，使得同一类型的子通道之间的周向距离与同一类型的子通道的径向跨度之比约为八（8）。在保持华氏80度的水的泵中，测试这种所构造的密封面组件历时100小时，水的最大流体压力为1000 psi，且该泵的轴旋转为每分钟3600转。密封组件的测试后检查显示为几乎没有磨损，而泄漏保持为低的（即，泄漏率为0-6克/小时）和/或在公差内。
应理解，本公开在许多方面仅是示例性的。可在不超出本公开的范围的情况下以其任何组合来布置或构造上文所讨论的各种单独元件。在不超出本公开的范围的情况下，可在细节上做出改变，特别是在形状、尺寸和步骤的安排方面。当然，本公开的范围以表达所附权利要求书的语言来定义。
Claims (16)
1.一种用于密封液体的流体静力学密封组件，其包括：
第一环，其具有被第一边缘和第二边缘限制边界的第一侧；以及
第二环，其具有面向所述第一侧的第二侧；
其中，周向通道沿着所述第一侧在所述第一边缘与所述第二边缘之间延伸并且与所述第一边缘和所述第二边缘间隔开；
其中，多个子通道沿着所述第一环的第一侧从所述周向通道延伸；
其中，所述周向通道和所述子通道构造成占据所述第一侧的表面积的不到百分之十；并且
其中，所述第一环和所述第二环在所述第一侧与所述第二侧之间形成流体静力学密封。
2.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述多个子通道包括多个第一子通道，所述多个第一子通道沿着所述第一环的第一侧从所述周向通道延伸到所述第一边缘，并且其中，所述周向通道和所述多个第一子通道促进在所述第一环的第一侧与所述第二环的第二侧之间引入流体，从而在所述第一环的第一侧与所述第二环的第二侧之间引起流体静力学升力。
3.根据权利要求2所述的密封组件，其中，所述多个子通道包括多个第二子通道，所述多个第二子通道沿着所述第一侧从所述周向通道朝向所述第二边缘延伸，并且其中，从所述周向通道延伸的所述多个子通道位于所述第一环的第一侧上，使得所述多个第一子通道中的第一子通道和所述多个第二子通道中的第二子通道沿着所述周向通道的长度以交替的顺序从所述周向通道延伸。
4.根据权利要求3所述的密封组件，其中，所述多个第二子通道中的第二子通道从所述周向通道延伸到与所述第二边缘间隔开的终端部。
5.根据权利要求2所述的密封组件，其中，所述多个第一子通道中的每个第一子通道之间的周向距离与每个第一子通道的径向跨度之比为8。
6.根据权利要求2所述的密封组件，其中，所述多个第一子通道中的每个第一子通道之间的周向距离与每个第一子通道的径向跨度之比为4。
7.根据权利要求2所述的密封组件，其中，所述第一环的第一边缘被构造成在所述密封组件的加压侧上，并且所述密封组件被构造成提供密封以抵抗所述密封组件的所述加压侧上的在600psi至1000psi的范围内的压力。
8.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述周向通道与所述第一边缘和所述第二边缘中的一者或两者同轴，并且包括第一周向通道部分以及与所述第一周向通道部分流体地分离的第二周向通道部分。
9.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述第一环的第一侧具有从所述第一边缘延伸到所述第二边缘的宽度，并且所述周向通道与所述第一边缘间隔开的距离是所述第一环的第一侧的宽度的三分之一。
10.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述周向通道具有0.002英寸的深度。
11.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述周向通道的宽度在0.001英寸与0.006英寸之间。
12.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述第一环的第一侧和所述第二环的第二侧中的一者或两者由选自由以下各者组成的组的一种或多种材料形成：碳、碳化硅和碳化钨。
13.一种形成用于流体静力学密封组件的环形环的方法，所述方法包括：
在环形环的表面中形成周向通道；以及
在所述环形环的表面中形成多个第一子通道，所述多个第一子通道从所述周向通道延伸到所述表面的第一边缘；
其中，所述周向通道流体地连接所述环形环的表面中的所述多个第一子通道；并且
其中，所述周向通道和所述第一子通道构造成占据所述环形环的表面的表面积的不到百分之十。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
在所述环形环的表面中形成多个第二子通道，所述多个第二子通道从所述周向通道朝向所述表面的第二边缘延伸；
其中，所述周向通道流体地连接所述环形环的表面中的所述多个第一子通道以及所述环形环的表面中的所述多个第二子通道。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所形成的周向通道、所述多个第一子通道和所述多个第二子通道占据所述环形环的表面的表面积的不到百分之五。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所形成的周向通道、所述多个第一子通道和所述多个第二子通道经由激光雕刻而形成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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