CN113825916A - 用于高温操作的轴-汽缸组合件 - Google Patents

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Abstract

一种用于高温操作的轴‑汽缸组合件，包括：一对第一和第二动态密封部件(203a，203b)，其具有螺旋形盘绕密封环结构，所述密封环结构被配置成与轴(202)接触以在汽缸(201)中提供动态密封功能；以及圆柱形冷却套(207)，其被配置成周向地环绕在所述冷却套(207)内的所述动态密封部件(203a，203b)，其中所述冷却通道(208a)被配置成与所述空腔(220)连通并且使冷却流体循环通过所述空腔(220)，以将热从所述动态密封部件(203a，203b)移走。

Description

用于高温操作的轴-汽缸组合件
技术领域
本公开大体上涉及轴-汽缸密封技术，且更确切地说，涉及在高温环境下工作的高速轴-汽缸组合件中的密封技术。
背景技术
高速轴-汽缸已应用于各种应用和设备，例如内燃机、往复泵、气体压缩机和其它类似组合件，其中旋转轴或活塞轴是汽缸所容纳的移动组件并且使其通过密封环而气密或液密。
在例如往复式内燃机的一些应用中，工作温度可以高达1500至2000℃。由于高速移动引起的摩擦能，密封件与轴之间的位置的瞬时温度甚至可能更高。极端高温环境可能导致汽缸材料失效和润滑油氧化，从而导致轴卡死。此外，由于热应力，发动机上的温度变化可能导致发动机组件变形。例如，在第4,539,942号美国专利中已经提出了用于内燃机的冷却系统，其中在内燃机的汽缸盖和汽缸体上配置具有冷却流体通道的两个冷却套。然而，此种冷却配置无法有效地从密封件与轴之间的位置转移瞬时热能。
另一方面，已经提出用于高速操作的各种密封技术。例如，基本上由紧密夹在两块板之间的许多柔性细钢刷毛形成的刷式密封已用于各种高速旋转设备中。然而，由于压力硬化、滞后或其它不希望的密封行为，此种类型的密封可能会出现泄漏问题。泄漏问题可能在设计成具有略微桶形汽缸的发动机中更为严重，所述汽缸用于补偿刮伤严重程度的差异，因此汽缸壁的腐蚀速率不同。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于高温操作的轴-汽缸组合件，其包括冷却配置，所述冷却配置可以有效地从密封件与轴之间的位置转移瞬时热能，从而消除由于温度变化所引起的热应力而导致的发动机组件变形。本发明的另一目标是提供具有以下特征的轴-汽缸组合件：更少数目的组件、改进的耐久性、由于轴-汽缸摩擦减小而减小的功率损耗，以及显著减少的泄漏。
根据本发明的一个方面，轴-汽缸组合件包括：汽缸；轴，所述轴被配置用于在汽缸中并沿着汽缸移动；动态密封部件，所述动态密封部件被配置成与轴接触以提供动态密封功能；以及圆柱形冷却套，所述圆柱形冷却套位于动态密封部件与汽缸之间，并且被配置成周向地环绕动态密封部件并且由汽缸周向地环绕；其中冷却套包含一个或多个冷却通道，所述一个或多个冷却通道中的每一个被配置成使冷却流体循环以将热从动态密封部件移走。
替代地，用于高温操作的轴-汽缸组合件包括一对第一和第二动态密封部件，所述动态密封部件被配置成与轴接触以提供动态密封功能；以及圆柱形冷却套，所述圆柱形冷却套被配置成周向地环绕动态密封部件，使得在冷却套内部的动态密封部件之间限定空腔；其中冷却套包括一个或多个流入冷却通道和一个或多个流出冷却通道，这些通道被配置成与空腔连通并且使冷却流体循环通过空腔以将热从动态密封部件移走。
根据本发明的另一方面，轴-汽缸组合件进一步包括具有螺旋形盘绕密封环结构的一个或多个盘绕毡密封件(CFS)，所述螺旋形盘绕密封环结构使得CFS能够在轴朝向汽缸的上端或下端行进时收缩，且在轴端穿过汽缸的中间区段行进时扩张。因此，CFS与汽缸内壁之间的紧密接触可以在汽缸的轴的上下冲程期间维持，且泄漏可以减小到零或接近零。
附图说明
下文中参考图式更详细描述本发明的实施例，在图式中：
图1描绘根据本发明的一个实施例的轴-汽缸组合件的截面图；
图2A描绘根据本发明的另一实施例的轴-汽缸组合件的截面图；
图2B描绘根据本发明的另一实施例的轴-汽缸组合件的截面图。
图3示出根据本发明的一个实施例的CFS；
图4示出根据本发明的一个实施例的CFS的部分剖视图；
图5A示出根据本发明的一个实施例的汽缸密封环；
图5B示出根据本发明的一个实施例的位移吸收环；
图5C示出根据本发明的一个实施例的轴密封环；
图6示出根据本发明的一个实施例的C形基础源环；以及
图7示出根据本发明的一个实施例的逐步接合两个C形基础源环的方法。
具体实施方式
下文将参考图式描述本发明的实施例。应注意，本文中所描述的实施例并不意图限制根据权利要求书的本发明，并且应理解，相对于实施例描述的元件及其组合中的每一个对于实施本发明的各方面并非绝对必需的。另外，将不会详细描述或将省略本公开的众所周知的元件，以免混淆本公开的相关细节。
图1描绘根据本发明的一个实施例的汽缸组合件1的截面图。如图1中所示，汽缸组合件包括汽缸101；轴102，所述轴被配置用于在汽缸101中并沿着所述汽缸移动；动态密封部件103，所述动态密封部件被配置成与轴102接触以提供动态密封功能；压缩环104，所述压缩环与压缩弹簧105接合，所述压缩弹簧被配置用于在动态密封部件103上提供按压力以保持动态密封部件与汽缸101紧密接触；一对第一和第二保持环106a和106b，用于将动态密封部件103和压缩环104保持在冷却套内部。
汽缸组合件1可以进一步包括位于动态密封部件103与汽缸101之间的圆柱形冷却套107。圆柱形冷却套107由汽缸101周向地环绕，并且进而周向地环绕动态密封部件103和压缩环104。在一些实施例中，冷却套107可以被配置成仅周向地环绕动态密封部件103。冷却套107可以包含一个或多个冷却通道108，所述冷却通道中的每一个被配置用于使例如水或油的冷却流体循环，以用于将热从动态密封部件103移走。冷却通道108中的每一个可以具有被配置用于接收冷却流体的入口109以及被配置用于释放冷却流体的出口110。
根据本发明的各种实施例，冷却通道108的入口109和出口110可以联接到循环泵(未示出)。循环泵可以由来自曲轴的滑轮和皮带驱动，以将加热的流体从出口110向外驱动到热交换器，例如散热器。流体通过辐射过程在散热器中冷却。冷却的流体然后返回到入口109且再次流回到通道108中。
圆柱形冷却套107可以进一步包括一对第一卡环凹槽111a和第二卡环凹槽111b，所述卡环凹槽形成于其内壁上并且被配置用于分别与一对第一卡环112a和第二卡环112b接合，所述卡环分别紧固到一对第一保持环106a和第二保持环106b，用于将动态密封部件103和压缩环104固定在冷却套107内部。
根据本发明的各种实施例，冷却套107可以具有略微小于汽缸101的内径的外径，使得冷却套不与汽缸101接触。汽缸组合件可以进一步包括在冷却套107与汽缸101之间的静态密封环113，用于提供密封功能。静态密封环113可以具有略微小于冷却套外径的内径，使得所述静态密封环可以紧紧地围绕冷却套107并将其密封，而所述静态密封环的外径略微大于汽缸内径，使得其从所有方向推挤汽缸101的内壁以密封汽缸。在一些实施例中，冷却套107可以具有周向地形成于其外壁上的环形凹槽114，用于将静态密封环保持在冷却套107周围的固定位置上。
图2A描绘根据本发明的另一实施例的汽缸组合件2的截面图。如图2中所示，汽缸组合件2包括汽缸201；轴202，所述轴被配置用于在汽缸201中并沿着所述汽缸移动；一对第一动态密封部件203a和第二密封部件203b，所述动态密封部件被配置成与轴202接触以提供动态密封功能。
汽缸组合件2可以进一步包括圆柱形冷却套207，所述圆柱形冷却套被配置成周向地环绕动态密封部件203a、203b，使得在冷却套207内部的动态密封部件203a、203b之间限定空腔220。冷却套207可以包含一个或多个流入冷却通道208a和一个或多个流出冷却通道208b，所述冷却通道被配置成与空腔220连通并且使例如水的冷却流体循环通过空腔220，以将热从动态密封部件203a、203b移走。流入冷却通道208a中的每一个可以具有被配置用于将冷却流体引导到空腔220中的入口209，并且流出冷却通道208b中的每一个可以具有被配置用于将冷却流体从空腔220向外引导到热交换器，例如散热器的出口210。流体通过辐射过程在散热器中冷却。冷却的流体然后返回到入口209且再次流回到空腔220中。
任选地，入口209可以联接到循环泵230，所述循环泵可以是高压泵，并且出口210可以连接到压力计240，用于监测冷却流体的压力。循环泵可以由来自曲轴的滑轮和皮带驱动，以使流体在空腔220与热交换器，例如散热器之间循环。
汽缸组合件2可以进一步包括与一对压缩弹簧205a和205b接合的一对第一压缩环204a和第二压缩环204b，所述压缩弹簧被配置用于分别在所述一对第一动态密封部件203a和第二动态密封部件203b上提供按压力，以保持动态密封部件与汽缸201紧密接触。
汽缸组合件2可以进一步包括一对第一保持环206a和第二保持环206b，用于将第一动态密封部件203a和第一压缩环204a保持在冷却套207内部；以及一对第三保持环206c和第四保持环206d，用于将第二动态密封部件203b和第二压缩环204b保持在冷却套207。
圆柱形冷却套207可以进一步包括一对第一环形凹槽211a和第二环形凹槽211b，所述环形凹槽形成于其内壁上并且被配置用于分别与一对第一卡环212a和第二卡环212b接合，所述卡环分别紧固到一对第一保持环206a和第二保持环206b，用于将第一动态密封部件203a和第一压缩环204a固定在冷却套207内部。
圆柱形冷却套207可以进一步包括一对第三环形凹槽211c和第四环形凹槽211d，所述环形凹槽形成于其内壁上并且被配置用于分别与一对第三卡环212c和第四卡环212d接合，所述卡环分别紧固到一对第三保持环206c和第四保持环206d，用于将第二动态密封部件203b和第二压缩环204a固定在冷却套207内部。
根据本发明的各种实施例，冷却套207可以具有略微小于汽缸201的内径的外径，使得冷却套不与汽缸接触。汽缸组合件可以进一步包括在冷却套207与汽缸201之间的静态密封环213，用于提供密封功能。静态密封环213可以具有略微小于冷却套外径的内径，使得所述静态密封环可以紧紧地围绕冷却套207并将其密封，而所述静态密封环的外径略微大于汽缸内径，使得其从所有方向推挤汽缸201的内壁以密封所述汽缸。在一些实施例中，冷却套207可以具有周向地形成于其外壁上的环形凹槽214，用于将密封环保持在冷却套207周围的固定位置上。
根据本发明的各种实施例，动态密封部件可以是通过组装多个金属动态密封环形成的盘绕毡密封件(CFS)，所述密封环具有如在第PCT/CN2012/071634号PCT国际申请中公开的螺旋形盘绕密封环结构。
图3和4分别示出根据本发明的一个实施例的CFS 500的等距视图和部分剖视图。如图4中所示，CFS 500具有三个不同作用层：汽缸密封层501、位移吸收层502和轴密封层503。功能层可以由其对应的基础源环的群组形成。图5A到5C分别示出三种类型的C形基础源环：用于形成汽缸密封层601的汽缸密封环601；用于形成位移吸收层502的位移吸收环602；以及用于形成轴密封层503的轴密封环603。
汽缸密封层501的功能是用于阻止汽缸1的内径与CFS 500之间的泄漏。对应的汽缸密封环601具有略微大于汽缸内径的外径，使得汽缸密封环从所有方向推挤汽缸内壁以密封汽缸，而汽缸密封环的内径大于轴直径，使得它们从不接触轴表面。
在汽缸密封层501与轴密封层503之间构建位移吸收层502，以吸收轴的偏心振动并且还吸收整个系统随使用磨损而产生的尺寸变化。对应的位移吸收环具有大于轴直径的内径，使得它们从不接触轴表面，而位移吸收环的外径小于汽缸内径，使得它们从不接触汽缸内壁。
轴密封层的功能是阻止轴2的外径与CFS 500之间的泄漏。对应轴密封环603具有略微小于轴直径的内径，使得轴密封环可以紧密地围绕轴密封块表面并将其密封，而轴密封环的外径共享小于汽缸内径的位移吸收环的相同外径，使得它们不会接触汽缸内壁。
CFS的位移吸收环允许轴-汽缸组合件中的较大未对准容差，因为此区段中的环可在纬度方向上移动，从而旋转以吸收在高速上下冲程运动下由轴与汽缸之间的未对准引起的振动和横向移动。因而，CFS中的位移吸收区段环的存在还减少了由轴的中心之间的未对准产生的非所需力矩。
图6示出根据本发明的一个实施例的C形基础源环700，所述C形基础源环是具有一对凸形鸠尾榫701和凹形鸠尾榫702的部分环。C形环可以通过压力机冲压成型，或通过轮廓切割工艺制造，例如通过激光切割或线切割片料以使两个面完全平行。如图13中所示，C形基础源环700是部分环，所述环的一部分被切除，以便使这些部分环通过在部分环的两端上制成的凸形鸠尾榫701和凹形鸠尾榫702逐渐接合。切除角的值应与直径一起相应地确定。
图7示出通过第一部分环700的凸形鸠尾榫701和下一部分环700的凹形鸠尾榫702逐渐接合两个C形基础源环700的方法。
因为每个C形环仅是部分圆，以便提供有效的密封功能，因此需要最少两个轴密封环、最少数目的两个汽缸密封环以及至少一个位移吸收环来形成完整CFS。
CFS的螺旋形盘绕密封环结构可以确保完美的密封性能。所述密封环结构使得CFS能够在轴密封块朝向汽缸的上端或下端行进时收缩，并且在轴密封块穿过汽缸的中间区段行进时扩张。因此，CFS与汽缸内壁之间的紧密接触可以在汽缸的轴的上下冲程期间维持，且泄漏可以减小到零或接近零。
出于说明和描述的目的，已经提供本发明的前述描述。本发明并不意图是穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。许多修改及变化对于所属领域的从业者来说将是显而易见的。
选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使得所属领域的其它技术人员能够理解本发明的各种实施例以及具有适合于所预期的特定用途的各种修改。希望本发明的范围由所附权利要求书及其等效物限定。

Claims (15)

1.一种轴-汽缸组合件，其特征在于，包括：
汽缸；
轴，所述轴被配置用于在所述汽缸中并沿着所述汽缸移动；
动态密封部件，所述动态密封部件被配置成与所述轴接触以提供动态密封功能；以及
圆柱形冷却套，所述圆柱形冷却套位于所述动态密封部件与所述汽缸之间并且被配置成周向地环绕所述动态密封部件且由所述汽缸周向地环绕；
其中所述冷却套包含一个或多个冷却通道，所述一个或多个冷却通道中的每一个被配置成使冷却流体循环以将热从所述动态密封部件移走。
2.根据权利要求1所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，所述一个或多个冷却通道中的每一个具有被配置用于接收所述冷却流体的入口以及被配置用于释放所述冷却流体的出口。
3.根据权利要求1所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，进一步包括与压缩弹簧接合的压缩环，所述压缩弹簧被配置用于在所述动态密封部件上提供按压力以保持所述动态密封部件与所述汽缸紧密接触。
4.根据权利要求3所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，进一步包括一对第一和第二保持环，用于将所述动态密封部件和所述压缩环保持在所述冷却套内部。
5.根据权利要求4所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，所述圆柱形冷却套包括形成于所述圆柱形冷却套的内壁上的一对第一和第二卡环凹槽；其中所述第一和第二卡环凹槽被配置用于分别与一对第一和第二卡环接合，所述卡环分别紧固到所述一对第一和第二保持环，用于将所述动态密封部件和所述压缩环固定在所述冷却套内部。
6.根据权利要求1所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，进一步包括在所述冷却套与所述汽缸之间的静态密封环以提供密封功能；并且其中所述冷却套具有环形凹槽，所述环形凹槽周向地形成于所述冷却套的外壁上，用于将所述静态密封环保持在所述冷却套周围的固定位置上。
7.根据权利要求1所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，所述动态密封部件具有螺旋形盘绕密封环。
8.一种轴-汽缸组合件，其特征在于，包括：
汽缸；
轴，所述轴被配置用于在所述汽缸中并沿着所述汽缸移动；
一对第一和第二动态密封部件，所述动态密封部件被配置成与所述轴接触以提供动态密封功能；以及
圆柱形冷却套，所述圆柱形冷却套被配置成周向地环绕所述动态密封部件，使得在所述冷却套内部的所述动态密封部件之间限定空腔；
其中所述冷却套包括一个或多个流入冷却通道和一个或多个流出冷却通道，所述冷却通道被配置成与所述空腔连通并且使冷却流体循环通过所述空腔，以将热从所述动态密封部件移走。
9.根据权利要求8所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，所述流入冷却通道中的每一个具有被配置用于将所述冷却流体引导到所述空腔中的入口，并且所述流出冷却通道中的每一个可以具有被配置用于将所述冷却流体从所述空腔向外引导的出口。
10.根据权利要求9所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，所述入口连接到循环泵并且所述出口连接到压力计。
11.根据权利要求8所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，进一步包括与一对压缩弹簧接合的一对第一和第二压缩环，所述压缩弹簧被配置用于分别在所述一对第一和第二动态密封部件上提供按压力，以保持所述第一和第二动态密封部件与所述汽缸紧密接触。
12.根据权利要求11所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，进一步包括
一对第一和第二保持环，用于将所述第一动态密封部件和所述第一压缩环保持在所述冷却套内部；以及
一对第三和第四保持环，用于将所述第二动态密封部件和所述第二压缩环保持在所述冷却套内部。
13.根据权利要求12所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，所述圆柱形冷却套进一步包括：
一对第一和第二环形凹槽，所述环形凹槽形成于所述圆柱形冷却套的内壁上并且被配置用于分别与一对第一和第二卡环接合，所述卡环分别紧固到所述一对第一和第二保持环，以将所述第一动态密封部件和所述第一压缩环固定在所述冷却套内部；以及
一对第三和第四环形凹槽，所述环形凹槽形成于所述圆柱形冷却套的所述内壁上并且被配置用于分别与一对第三和第四卡环接合，所述卡环分别紧固到所述一对第三和第四保持环，以将所述第二动态密封部件和所述第二压缩环固定在所述冷却套内部。
14.根据权利要求8所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，进一步包括在所述冷却套与所述汽缸之间的静态密封环以提供密封功能；并且其中所述冷却套具有环形凹槽，所述环形凹槽周向地形成于所述冷却套的外壁上，用于将所述静态密封环保持在所述冷却套周围的固定位置上。
15.根据权利要求8所述的轴-汽缸组合件，其特征在于，所述第一和第二动态密封部件中的每一个具有螺旋形盘绕密封环。
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