CN1179818A - 改进的液压密封件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在密封表面之间具有密封表面锥度控制以及气穴减少结构的液压密封件。对密封表面的锥度控制是通过设置在密封壁上的一个或多个卸荷槽来实现的,因流体压力及温度产生的挠曲力作用在密封壁上,而卸荷槽则减少了密封刚性对密封表面间平行关系的影响。气穴减少结构包括了通向密封表面凹槽并沿密封表面间流体的相对运动方向倾斜的通道。涡流扩大室布置在凹槽内这些通道的出口处,用以使流体蒸气气泡与凹槽壁隔离。

Description

改进的液压密封件

发明背景及概述

本发明总体涉及液压密封件，具体涉及在高温、高压和腐蚀性液体环境中围绕高速转轴的液压密封件的使用。

液压密封件一般包含两个或多个可相对移动的密封表面，它们分开布置并且一般与通过其间的流体流动方向平行，流体用于防止所述可移动的平行表面在密封操作过程中相互接触。如果流体未能实现上述目的，密封表面可能会相互摩擦而使平行的外廓磨损为锥形，因而降低了密封效果。

液压密封件密封效果的降低会带来许多问题。例如，除了流体泄漏外，密封表面间的相互摩擦会造成有关驱动零件的结构破坏以及灾难性地密封失效。并且，还会形成对流体组成产生不利影响的局部高温。

在某些应用中，液压密封件的一个或两个密封表面因受到流体压力的作用而逐渐失去平行关系，最终形成锥形外形。以前曾建议使用刚性材料制造密封件以抵抗这种非平行移动或挠曲。但是使用刚性材料会增加密封件的成本，并且在使用某些工作流体时该材料更容易被腐蚀。而且，在更高的压力下仍旧会发生挠曲，虽然此时的挠曲率可能会低些。也曾有建议，通过有选择地使用可控制的平衡力来主动抵消作用于密封件上的挠曲力。与这些方面稍有关联的是美国专利NO.4,643,437，它根据温度的变化调整密封表面的外形。然而，这样的结构不仅增加密封件本身的成本，而且还需要对周围的泵座和相关部件进行专门的修改。

液压密封件一般在某个平行密封面上带有开口凹槽或油兜以集聚和补偿在密封面之间的流体。通常，在密封件上有几条相对较窄的通道从流体源通到这些凹槽。已经发现，从通道进入凹槽的流体会在凹槽内产生“喷射”或文氏效应。可以认为，当流体工作在使其易达到沸点的温度和压力下时，这种喷射会在凹槽内造成微旋涡和其它情况，在该凹槽内会产生蒸汽气泡并且随后又冷凝成流体。实际上，这就是凹槽内的气穴，它会侵蚀和渗透构成凹槽的密封壁，特别是在与进入凹槽的通道入口相对的区域。最终，这种不利作用影响了密封件的功效并导致平行密封表面间的接触和磨损。

为避免这个问题，可以改变流体条件以使流体在沸点附近工作的情况很少遇到，但这样做可能对使用流体的整个生产过程的最优化产生不利影响。例如，如果在生产溶于流体溶液中的化学制品所用的泵上使用液压密封件，当改变流体的温度和压力条件时是不可能有效地生产出这些化学制品的。也曾有建议用对气穴和腐蚀不太敏感的材料制造液压密封件，但是这样的材料相当昂贵，而且也不总是具有足够的刚度以避免平行密封面的过度挠曲。而且，由于所述通道通常是平行表面间流体流动的控制口，如果通过改变通道外形来最大程度地减少进入凹槽内的流体喷射，则那些平行表面的间距将会受到不利影响，这样就降低了密封件的作用和效果。在某些情况下，还会重新导致平行表面间的实际摩擦。

因此，本发明的目的是提供一种改进的液压密封件。并且，具体目的包括提供一种具有以下特点的液压密封件：

1.可抵抗平行密封表面上的锥形效应，

2.相对便宜并且易于对现有的密封件应用进行改型，

3.可控制作用在平行密封表面上的挠曲力作用，

4.可减少密封表面间的气穴效应，

5.在不利的液体环境下具有更长的使用寿命，以及

6.能够对作用于密封件上的温度和压力作用作出反应。

本发明的这些和其它目的是利用在密封面之间能控制密封表面锥度和减少气穴结构的液压密封件来实现的。流体压力和温度作用所产生的挠曲力作用于密封壁，通过在密封壁上开设一个或多个卸荷槽来减少密封刚性对密封表面之间平行关系的影响，从而提供了对密封表面的锥度控制。减少气穴的结构包括通向密封表面凹槽并且在密封表面间沿流体相对运动方向倾斜的通道。在这些通道在凹槽内的出口处设有扩大的涡流室，用以将液体蒸气气泡与凹槽壁隔离。

对本领域的技术人员而言，本发明的其它目的、优点和新颖特征将在下面的附图和详述中得到进一步说明。

附图简述

图1表示采用本发明液压密封件的泵齿轮箱装置的截面图；

图2表示图1之局部A的放大截面图；

图3表示图1中带有可替换的包覆组合物的液压密封元件的进一步放大截面图；

图4表示沿图3中的线4-4截取的液压密封元件的端视图。

优选实施方案详述

图1示出了本发明在以前由本发明的受让人销售的泵设备10上的应用。可以发现，使用改进的液压密封件对该设备进行改型能以最少的费用极大地提高泵的效率和可靠性。

这种泵设备10部分地包括安装在液流通道14和16之间的旋转叶片12。在其它类似的应用中，叶片12起着流体涡轮机而不是泵的功效，这取决于流体在通道14和16之间的流动方向。如图2所示，叶片12通常浸入流体中，因为流体也可以沿通道18流向叶片的背面。

轴部件20与叶片12相连，以用于从/向叶片传递旋转力。轴部件20包括例如插入叶片12的心棒22、围绕心棒22安装并与叶片12的一个端面相贴合的紧固轴套24、与紧固轴套24的一个侧面相贴合并固定在心棒22上或与心棒22整体成型的旋转端面26。轴部件20安装在泵座32中，它可绕纵向旋转轴线30旋转；并且该轴部件还可以包括例如助于安装的其它通用紧固轴套及端面密封件28。泵座32中包括使轴部件20产生旋转运动的部件。在上述实施例中，在心棒22一端与之相连的驱动齿轮34用于此目的。

密封元件40优选地围绕轴部件20安置在紧固轴套24和一部分叶片12上。这种安置包括例如在密封元件40的内周表面44与紧固轴套24、叶片12之间形成的间隙通道42。密封元件40的形状一般为中空的圆柱体，它在其内周表面44和外周表面46之间的截面关于轴线30呈环形。优选地，密封元件40还包括一个沿径向延伸的法兰48。

泵座32在与旋转端面26及密封元件40相邻的位置形成一个流体腔室36，流体腔室36内的法兰固定装置用以限制密封元件40相对于泵座32的旋转。该法兰固定装置包括例如紧固垫圈39的螺栓38。法兰48优选地带有槽口部分50，该槽口部分的尺寸可以紧密地安放垫圈39，从而防止了密封元件40绕轴线30的旋转。

泵座32至少还形成有一个弹簧室52，用以安置和容纳一个偏置弹簧54。这种弹簧作用于法兰48而将密封元件40推向旋转端面26。

密封元件40包括以下几个结构特征：一个承压表面、承压端或承压端面60，一个密封表面、密封端面或密封端62，一个泵座密封槽64以及流体凹槽、油兜或流体衬垫66，并且后者66带有一个与内周表面44连通的通道68。在所示的实施方案中，有压的流体源来自通道16，通道16经通道18与端面60相连。O型密封圈优选地安置在槽64中，以限制流体从通道18经由除了通道42以外的其它通道流向流体腔室36。法兰48布置在端面60与端面62之间、例如在密封元件40的径向扩大部分72上。

端面62用作液压密封件的一个密封表面。另一个密封表面是旋转端面26的端部74。优选地，端面62和端部74从轴线30沿径向方向大体上平行。当轴部件20不旋转时，端面62和端部74相互接触。当轴部件20旋转时，流体经通道68流入凹槽66。由于凹槽66面对端部74开口，流体压力抵消了弹簧54的作用力而使密封端面62和端部74分离，从而使得流体流入腔室36。

在所示实施例中，泵设备10可以用于抽取温度至少为60至200华氏度、密封压力约为500至1000psi(磅/英寸²)的液态氨。这样，轴部件20的旋转速度优选地为21000rpm(转/分)。在一个实施例中，通道42是内周表面44和紧固轴套24之间宽约0.03英寸的间隙，而密封元件是由4140型钢制成的。

已发现在这种情况下，作用在密封元件40上以及作用在端面62与端部74结合处附近之结构上的流体压力趋向于使端面62产生移动而失去和端部74的平行关系。因此，本发明在内周表面44上沿通道42方向至少包括了一个卸荷槽80。在上述实施例中，该卸荷槽80优选地是沿轴线30方向宽度约为0.1英寸、而切入密封元件40约0.15英寸深的圆弧切槽。卸荷槽80沿通道42的位置优选地位于径向扩大部分72的紧上游。已经发现，凹槽80的应用可以实现对压力和温度应力的控制，后两者会使密封端面62发生挠曲从而失去与端部74的平行关系并导致锥度的产生。已经发现，当如图配置卸荷槽80时，它可以通过减小密封刚性的影响来抵消挠曲变形。

如果在某些应用中需要不同程度的挠曲变形或者当处于不同的压力和温度条件下，卸荷槽80可以沿通道42布置在密封元件40的其它位置。同样，可以通过改变卸荷槽80的几何形状或结构来改变对挠曲变形的控制，不过要注意避免在密封元件40内形成过大的应力集中(例如可使用圆弧切口或凹槽)。此外，如果当流体压力源来自液流通道16因而需要更大的挠曲时，卸荷槽80可布置在密封元件的外周表面46上。如果流体压力源来自腔室36，则可以认为在外周表面上设置卸荷槽80能减少作用于端面62上的挠曲力。

此外，虽然在上面的详细实施例中液态氨趋向于相当接近其沸点，但只要将通道68沿着轴部件20绕轴线30的旋转方向偏斜(图4中呈逆时针方向)，就可以减小因流体流经通道68进入凹槽66而引起的气穴腐蚀效应。例如，这种偏斜应具有足够的程度，以便能接受基本上与紧固轴套24相切流出的流体。凹槽66中形成有接受来自通道68之流体的涡流室90。这些涡流室优选地与进入凹槽66之通道68的端口对中，从而在涡流室90中形成流体的涡流，而自通道68进入涡流室90的流体与该涡流基本上相切。

举例来说，涡流室90可制成与凹槽66同宽而具有基本上较深的深度，从而所述流体的涡流能在涡流室90内产生旋涡。可以认为这种旋涡对流体具有足够大的离心作用，因此流体从涡流室90被排向凹槽66的侧壁92，而流体中夹带的任何气泡(例如在由流入凹槽66的流体形成的微小低压区中瞬态产生的液体蒸气气泡)则保持在涡流室90的中心部位，直到被冷凝回液体。

这样，由于气穴而产生的气泡被减少了，而那些已产生的气泡则被限制不与侧壁92相碰撞。作为进一步的保护措施，在某些实施方案中，端面62的凹槽66可用不易腐蚀的材料、例如Stellite 12制成，并且既可以通过包覆而与密封元件40成复合结构(如图3所示)又可以是整体的结构(如图2所示)。

那些本领域的技术人员应该认识到，尽管已参照一个特定的实施方案对本发明进行了详细的描述，但其它在本发明范围之内的实施方案也是可能的，因为在附属的权利要求书中也对它们进行了描述。因此，应当理解，附属权利要求书的精神与范围不仅仅局限于以上所描述的特定实施方案。

Claims (18)

1.一种位于两个部件之间的流体密封装置，该部件中的一个可相对于另一个转动，该密封装置包括：

一个第一部件；

一个与所述第一部件相邻安装的可旋转第二部件；

一个处于压力下的流体源；

所述第一部件和第二部件在其中间包括一个间隙通道，从而来自所述流体源的流体可流经其中；

所述第一部件包括一个第一端表面；

所述第二部件包括一个与所述第一端表面相邻的第二端表面；

所述间隙通道的位置与构形可保证将所述流体提供到所述第一、第二端表面的结合处；以及

位于所述间隙通道内的控制作用在所述第一端表面上的压力的装置，基于向所述接合处提供流体，该压力趋向于使得至少一部分第一端表面会聚或离开第二端表面。

2.根据权利要求1所述的流体密封装置，其特征在于，所述的压力控制装置包括一个在所述间隙通道的承压壁上设置的卸荷槽。

3.根据权利要求2所述的流体密封装置，其特征在于，所述卸荷槽的构形应能减轻所述承压壁上的应力集中。

4.根据权利要求1所述的流体密封装置，其特征在于，所述第一、第二端表面中的至少一个端表面包括：至少一个位于其中的接收来自接合处之流体的凹槽，至少一个使流体从所述接合处流入凹槽的流体通道，以及位于凹槽中的将所述流体中的气泡从凹槽壁上分离的结构。

5.根据权利要求4所述的流体密封装置，其特征在于，所述流体通道沿着第二部件的旋转方向倾斜，而分离所述气泡的结构包括一个位于凹槽内的扩大室，该扩大室接收来自通道的流体，以离心方式将气泡限定在该扩大室内直到所述气泡被冷凝成所述流体。

6.一种向流体提供动力的泵，它包括：

一个浸在所述流体中的旋转叶片；

一根绕纵轴旋转以驱动所述叶片的轴；

一个安置所述轴的泵座；

一个围绕所述轴安装并固定在所述泵座上的液压密封装置，用于防止流体流入所述泵座中；

所述密封装置包括了一个端面；

一个围绕所述轴且与所述端面相邻并与其对置的旋转端面；

一个相对于所述纵轴大体沿径向作用于所述端面上的流体压力源；

位于所述密封装置的流体接触表面的装置，以实现作用在所述端面上的径向流体压力的密封偏移控制。

7.根据权利要求6所述的泵，其特征在于，所述端面和旋转端面最初以基本平行的位置关系布置，如果没有所述的偏移控制装置，作用在所述端面上的流体压力会使端面移动而失去所述平行位置关系。

8.根据权利要求6所述的泵，其特征在于，所述密封装置和轴在其中间至少在与所述端面相邻的部位形成一个接收流体的间隙部分；所述的流体接触表面位于该间隙部分内。

9.根据权利要求8所述的泵，其特征在于，所述控制装置包括一个自间隙部分切入密封装置的流体接收凹槽。

10.根据权利要求9所述的泵，其特征在于，所述端面包括：至少一个其表面面向旋转端面开口的流体接收凹槽，至少一个位于流体压力源和凹槽之间以向所述凹槽提供流体的流体通道，以及凹槽内限制流体蒸气气泡与凹槽径向外壁接触的结构。

11.根据权利要求10所述的泵，其特征在于，所述限制接触的结构包括一个位于凹槽内的扩大室以及在扩大室内产生流体环流的结构，以便通过在扩大室内的离心力作用，使产生于凹槽内的至少一部分流体蒸气气泡与所述径向外壁的附近隔离。

12.根据权利要求11所述的泵，其特征在于，所述用于产生流体环流的结构包括沿旋转端面的旋转方向倾斜所述通道并且使所述扩大室位于进入凹槽之所述通道的端口处，从而使进入扩大室的流体基本上与所述环流方向相切。

13.一种安置在流体泵中的液压密封装置，该泵具有：一个浸在流体中的可旋转叶片；一根与所述叶片相连以绕旋转轴线驱动叶片的基本上呈圆柱形的轴；一个安置所述轴的泵座，它包括至少一部分使轴产生所述旋转运动的驱动装置；一个固定在泵座上并与轴的一部分保持间隙的液压密封装置，用以防止高压流体流向所述泵座或从该泵座中流出，所述密封装置包括一个相对于所述旋转轴线基本上沿径向延伸的端面；一个安置在所述轴上、与端面相邻、对置且基本上与之平行的旋转端面；一个压力流体源，所述端面在其上包括多个用于接受所述压力流体的凹槽以及连接各凹槽与压力流体源的流体通道；所述端面还包括：

将流体气穴效应与凹槽的结构元件隔离的结构；并且

所述隔离结构被构造在所述凹槽之内。

14.根据权利要求13所述的液压密封装置，其特征在于，所述隔离结构包括在每个凹槽内成形的室，以通过形成流体旋涡来容纳流体蒸气气泡。

15.根据权利要求14所述的液压密封装置，其特征在于，所述压力流体源包括所述叶片并通过位于所述密封装置与轴之间的间隙向所述端面提供流体，所述通道包括从轴通向凹槽的通道，这些通道沿着所述轴绕轴线的旋转方向倾斜，而所述室包括一个基本上呈圆柱形的凹坑，并且该凹坑比它所处之凹槽的其它部分要深。

16.根据权利要求15所述的液压密封装置，它包括设置在所述密封装置中用以调整端面对流体压力的反应的控制装置，在轴旋转时，所述流体压力会使所述端面和旋转端面失去平行位置关系或导致两者相接触。

17.根据权利要求15所述的液压密封装置，它包括布置在密封装置和轴之间的间隙中、用以减少作用在端面上的作用力的装置，所述作用力使得所述端面移动，从而失去和旋转端面的平行关系；所述减少作用力的装置包括一个在密封装置上设置的并与间隙以流体方式连通的卸荷槽。

18.根据权利要求17所述的液压密封装置，其特征在于，所述密封装置一般呈中空的圆柱形并在其纵向长度的中部具有一个径向向外延伸的法兰，所述泵座包括一个定位紧固件，所述法兰的外形轮廓和几何尺寸应能使其被所述紧固件紧固，所述密封装置包括一个与所述流体压力源相连通并与所述端面对置的承压面，而所述卸荷槽沿纵向布置在承压面与法兰之间。

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