CN1467395A - 用于转动件的密封件 - Google Patents

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Abstract

一种表面密封组件，其具有一个以一种可轴向移动的关系安装到一密封件支承结构(14)上的环形的密封件本体(16)。一个活塞环(50)设置在环形的密封件本体(16)与密封件支承结构(14)之间，形成一个辅助密封件。第一定位弹簧(52)是一个环形的波浪状弹簧，它设置在密封件支承结构(14)与活塞环(50)之间，以在轴向方向上对活塞环(50)施加压力。可选地，可以将也是一个波浪状弹簧的第二定位弹簧(54)设置在活塞环(50)与密封件支承结构(14)之间，以在径向方向上对活塞环(50)施加压力。

Description

用于转动件的密封件
关于联邦政府资助的研究和发展的说明
按照国家航空航天局授予的合同号NAS3-98004和/或NASA-27720在本发明中美国政府可以有某些权利。
技术领域
本发明总体上涉及用于转动机械的表面密封件，更具体地说，涉及用于表面密封组件的辅助密封件。
背景技术
常常使用表面密封件使通过两个部件之间的间隙的泄漏减到最少，其中，这样的泄漏是由较高压力区域到较低压力区域。在转动机械例如在蒸汽涡轮和燃气涡轮中已经使用了这样的密封件。表面密封件将蒸汽涡轮中转子与定子之间的蒸汽的泄漏减到最少，并且将燃气涡轮中的转子与定子之间的高压空气或者燃烧气体的泄漏减到最少。
有一个可运动件的轴向密封件包括表面密封件和抽吸密封件，这样的密封件需要一个滑动的辅助密封件。这种辅助密封件必须能够像主密封件一样处理相同的压力比，并且必须有最少的泄漏。辅助密封件在两个部件之间起作用，这两个部件中，一个固定不动，而一个在轴向上滑动。辅助密封件是干燥的(不润滑的)，并且必须有低的内摩擦。在燃气涡轮引擎的应用中，辅助密封件还暴露于恶劣的运行环境，包括恶劣的热环境和灰尘。辅助密封件必须能够在两个部件之间实现密封，因为这两个部件由于周围的不断变化的导热系数的热气体而以不同的速率在径向上偏移时。先有技术的辅助密封件典型地使用多个弧形段或者一个活塞环作为辅助密封件，多个螺旋弹簧将密封件定位。这造成了不必要的大量的部件。进而，在燃体速度很高的情况下，灰尘可能侵蚀像螺旋弹簧的间断的部件的材料，这可能导致密封失效。
因此，需要一种表面密封组件，它具有构造简单的辅助密封件。
发明内容
本发明满足了上面提到的需要，本发明提供一种表面密封组件，它具有以一种可轴向移动的关系安装到一密封件支承结构上的环形的密封件本体。一活塞环设置在环形的密封件本体与密封件支承结构之间，形成一辅助密封件。第一定位弹簧是一个环形的波浪状弹簧，它设置在该密封件支承结构与该活塞环之间，以在轴向方向上对活塞环施加压力。可选地，可以将也是一个波浪状弹簧的第二定位弹簧设置在该活塞环与该密封件支承结构之间，以在径向方向上对活塞环施加压力。
通过参考着附图阅读下面的详细描述和所附的权利要求书，本发明和其高于先有技术的优点将会变得清楚。
附图说明
在本文件的结束部分特别指出并明确地请求保护视为本发明的主体。然而，通过参考下面的与附图联系起来的描述可以最清楚地理解本发明，在附图中：
图1是按照本发明构造的示例性密封组件的局部剖面图；
图2是用于与本发明一起使用的示例性轴向波浪状弹簧的前视图；
图3是沿着图2中的线3-3取的视图；
图4是用于与本发明一起使用的示例性活塞环的前视图；
图5是用于与本发明一起使用的示例性径向波浪状弹簧的前视图；以及
图6是沿着图5中的线6-6作的视图。
具体实施方式
参见附图，其中相同的附图标记在整个视图中表示相同的部件，图1示出一个示例性的密封组件10，它将较高压力P(高)的区域与较低压力P(低)的区域之间的泄漏密封起来，比如燃气涡轮引擎的润滑油槽区域和流动路径之间的泄漏密封。密封组件10的基本部件是一个转子12、一个不动的密封件支承组件14以及一个密封件本体16，所有这些部件关于一个纵向轴线设置，在图1中用A表示此轴线。转子12例如一个涡轮转子为大致圆盘形状，并且形成面向轴向的第一主密封表面13。
密封件支承结构14是一个不转动的部件，并且包括一个环形的大致圆柱形的部分36。第一圆周凸缘40由该圆柱形部分36的第一端部径向向内伸展。第一凸缘40形成面向轴向的辅助密封表面41。第二圆周凸缘38由圆柱形部分36径向向内伸展，并且在轴向上与第一凸缘40分离开。第三凸缘42由圆柱形部分36的第一端部径向向外伸展。此第三凸缘42有一个或多个从中通过形成的孔43，用来容纳轴向的定位销柱，如下面将描述的。
密封件本体16安装到密封件支承结构14上。密封件本体16是一个环形部件，并且有一个大致T形的截面，如在图1所示出的那样。密封件本体16包括一个径向延伸部分18和一个轴向延伸部分20。径向延伸部分18形成一个面向轴向的第二主密封表面24。此第二主密封表面24紧靠着转子12设置，并且面对着第一主密封表面13。沿圆周的密封齿26通常被称为“开始密封件”，由径向延伸部分18的内端伸展。按照用于运行过程中密封件本体16的液压静力平衡的要求，可以一种已知方式将流体通道25、27、29形成为穿过径向延伸部分18(下面将更详细地描述)。一个外凸缘44由径向延伸部分18径向向外伸展。一个或多个定位销柱46装接到该外凸缘44上，并且在轴向上伸展。定位销柱46容纳在密封件支承结构14的第三凸缘42的孔43中。定位销柱46设置在孔43中使得密封件本体16可以相对于密封件支承结构14在轴向上移动，同时将密封件本体16限制在径向方向和圆周方向上。轴向延伸部分20还形成一个面向径向的辅助伸展表面21。
一个密封件本体延伸件28安装到密封件本体16的轴向延伸部分20上。该密封件本体延伸件28的截面为大致L形，有一个大致圆柱形的部分35和一个形成环形凸缘34的圆盘形状的部分。圆柱形部分35抵靠密封件本体16的轴向延伸部分20的内径卡合配装。一个沿圆周的锁定线状件(或金属丝)32将密封延伸件28保持在密封件本体16上，该锁定线状件配装在分别形成在密封件本体16的轴向延伸部分20与密封件本体延伸件28中的凹槽22和30内。
一个回拉弹簧48设置在密封件本体延伸件28的凸缘34与密封件支承结构14的第二凸缘38之间。回拉弹簧48用来使密封件本体16移离开转子12。下面将更详细地描述这一功能。如在图2和3中所示，回拉弹簧48是一个环形弹簧，此类型的弹簧称为波浪状弹簧，且其包括一系列交替的波纹64。在轴向方向上测量的波纹64的峰到谷的高度H1选定为，当把回拉弹簧48安装上时它将促使密封件本体延伸件28和所装接的密封件本体16轴向上离开转子12。为了这种功能采用波浪状弹簧比在先有技术的密封组件中使用的多个螺旋弹簧更为有利，因为在密封组件10中部件的数目减少，降低了复杂性并简化了组件。进而，采用波浪状弹簧避免了会受到侵蚀的螺旋弹簧的细丝件。
形式为活塞环50的辅助密封件设置在两个凸缘38和40之间的环形空间内，并且抵靠第一凸缘40的面向轴向的辅助密封表面41和密封件本体16的轴向部分20的面向径向的辅助密封表面21实现密封。活塞环50的目的是防止通过密封件本体16与密封件支承结构14之间的路径发生泄漏，该路径承受与主密封件相同的压力差，同时容许密封件本体16轴向上移动。
在图4中更详细地示出活塞环50。该活塞环50为已知的类型，它提供连续的(或者接近连续的)沿圆周的密封。活塞环50在一个圆周位置是分开的，并且在安装时可以稍微张开，使得它可以提供径向向内的弹簧张力。活塞环50可以包括已知的用来减少环端部之间的泄漏的结构，比如重叠的端部突部60和62。可以使用其它已知的环结构的变型，比如不同类型的端部设置，多部分的环或者“无间隙”的环，或者连续环(未示出)。
第一定位弹簧52设置在第二内凸缘38与活塞环50之间的环形空间中。该第一定位弹簧是一个环形的波浪状弹簧，且它的结构与回拉弹簧48的结构类似，它包括多个交替的波纹。在轴向方向上测量的波纹的峰到谷的高度(在不受力的条件下)比第一定位弹簧52所安装进去的空间的轴向长度小。因此，当安装上第一定位弹簧52时，它将在轴向方向上促使活塞环50抵靠在密封件支承结构14的面向轴向的辅助密封表面41上。
可以将活塞环50的尺寸选定成使得它的弹簧张力在运行条件下将保持它对着密封件本体16的面向径向的密封表面21实现密封接触。可选地，可以通过设置在活塞环50与密封件支承结构14之间的环形空间中的第二定位弹簧54迫使其进入抵靠面向径向的辅助密封表面21的位置。
在图5和6中更详细地示出一个示例性的第二定位弹簧54。希望该第二定位弹簧54在相邻的部件上施加一个径向方向的作用力。如在图中所看到的那样，此第二定位弹簧54是一个环形的波浪状弹簧，并且包括一系列交替的波纹58。在径向方向上测量的波纹58的峰到谷的高度(在不受力的条件下)H2比将要把波浪状弹簧54安装进去的活塞环50外面的环形空间的径向高度小。因此，当安装上第二定位弹簧54时，它在迫使活塞环50径向向内，从而对着密封件本体16的面向径向的辅助密封表面21实施密封。
在运行过程中，密封件本体16与转子12合作形成密封。回拉弹簧48保持密封件本体16离开转子12，以防止当引擎停止时或者以怠速运行时两个部件之间的接触。随着引擎运行速度的增加，在引擎的流动路径和润滑油槽区域中的流体压力也增加，因此，密封组件10承受作用在它的面向轴向的表面上的越来越大的压力，这种作用的结果使得密封件本体16朝向转子12移动。通过以已知的方式选择密封件本体16的不同部分的相对表面积、通道25、27和29的数目和尺寸以及回拉弹簧48的尺寸，使在所选定的运行条件下密封组件10处于液压静力学压力平衡。因此，第二主密封表面24绝不与第一主密封表面13接触，而是以一个小的间隙运行，例如间隙大约为0.03-0.05毫米(0.001-0.002英寸)。抽吸密封组件的低运行间隙使泄漏最小。为了容许密封件本体16作必要的轴向移动而没有过多的泄漏，活塞环50对着密封件支承结构14，在面向轴向的辅助密封表面41上和密封件本体16，在面向径向的辅助密封表面21上实施密封，通过第一定位弹簧52和可选的第二定位弹簧54迫使在其位置。
虽然相对不接触的抽吸表面密封组件已经描述本发明的辅助密封件，但是，活塞环和定位弹簧装置也可以与其它类型的密封组件一起使用，那些密封组件的结构与在这里描述的示例性实施例类似，并且它们需要一个辅助密封件，例如摩擦接触表面密封件。
前面已经描述了一种表面密封组件，它具有以一种可轴向上移动的关系安装到一个密封件支承结构上的一个环形密封件本体。一个活塞环设置在环形的密封件本体与密封件支承结构之间，形成一个辅助密封件。第一定位弹簧是一个环形的波浪状弹簧，其设置在所述密封件支承结构与活塞环之间，以在轴向方向上迫压活塞环。可选地，在活塞环与密封件支承结构之间也可以设置一个也是波浪状弹簧的第二定位弹簧，用来在径向方向上迫压活塞环。尽管已经描述了本发明的具体实施例，而本领域的技术人员将会清楚：可以对于它们实现多种改进，而不偏离在所附的权利要求书中限定的本发明的精神和范围。
部件名录
10  密封组件
12  转子
13  12的第一面向轴向的主密封表面
14  密封件支承结构
16  密封件本体
18  16的径向延伸部分
20  16的轴向延伸部分
21  20的面向径向的密封表面
22  20中的凹槽
24  第二面向轴向的主密封表面
25  穿过18的通道
26  沿圆周的密封齿
27  穿过18的通道
28  密封件本体延伸件
29  穿过18的通道
30  28中的凹槽
32  锁定线状件
34  28上的环形凸缘
35  28的圆柱形部分
36  14的圆柱形部分
38  14的第二环形凸缘
40  14的第一环形凸缘
41  40的面向轴向的密封表面
42  14的第三环形凸缘
43  穿过42的轴向孔
44  16的外凸缘
46  轴向销柱
48  回拉弹簧
50  活塞环
52  第一定位弹簧
54  第二定位弹簧
58  54的波纹
60  50的端部突部
62  50的端部突部
64  48的波纹

Claims (14)

1.一种密封组件，其包括：
第一环形部件，它形成一个面向轴向的第一主密封表面(13)；
第二环形部件，它形成一个面向轴向的第二主密封表面(24)，所述第二环形部件以一种可轴向上移动的关系安装到一个密封件支承结构(14)上，使得所述第二主密封表面(24)设置成面向所述第一主密封表面(13)；
一活塞环(50)，它设置成与所述支承结构(14)和所述第二环形部件密封地接触；以及
设置在所述密封件支承结构(14)与所述活塞环(50)之间的第一定位弹簧(52)，用来在轴向方向上迫压所述活塞环(50)，所述第一定位弹簧(52)是一个环形的波浪状弹簧。
2.按照权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封件支承结构(14)包括一个沿圆周的凸缘，它形成一个面向轴向的辅助密封表面，并且所述第一定位弹簧(52)迫使所述活塞环(50)与所述面向轴向的密封表面密封地接触。
3.按照权利要求1所述的密封组件，其特征在于，其还包括设置在所述不动的结构与所述活塞环(50)之间的第二定位弹簧(54)，用来在径向向内的方向上迫压所述活塞环(50)，所述第二定位弹簧(54)是一个环形的波浪状弹簧。
4.按照权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封件本体(16)包括一个轴向延伸部分，它形成一个面向径向的辅助密封表面，并且，所述第二定位弹簧(54)迫使所述活塞环(50)与所述面向径向的密封表面密封地接触。
5.一种关于一轴线设置的密封组件，其包括：
第一环形部件，它形成一个面向轴向的第一主密封表面(13)；
第二环形部件，它形成一个面向轴向的第二主密封表面(24)，所述第二环形部件以一种可轴向上移动的关系安装到一个密封件支承结构(14)上，使得所述第二主密封表面(24)设置成面向所述第一主密封表面(13)；
一活塞环(50)，它设置在所述第二环形部件与所述密封件支承结构(14)之间，形成一个辅助密封件；
设置在所述第二环形部件与所述密封件支承结构(14)之间的回拉弹簧(48)，用来迫使所述第二环形部件离开所述第一环形部件，所述回拉弹簧(48)是一个环形的波浪状弹簧；
设置在所述密封件支承结构(14)与所述活塞环(50)之间的第一定位弹簧(52)，用来在轴向方向上迫压所述活塞环(50)，所述第一定位弹簧(52)是一个环形的波浪状弹簧。
6.按照权利要求5所述的密封组件，其特征在于，所述密封件支承结构(14)包括一个沿圆周的凸缘，它形成一个面向轴向的辅助密封表面，并且所述第一定位弹簧(52)迫使所述活塞环(50)与所述面向轴向的密封表面密封地接触。
7.按照权利要求5所述的密封组件，其特征在于，其还包括设置在所述不动的结构与所述活塞环(50)之间的第二定位弹簧(54)，用来在径向向内的方向上迫压所述活塞环(50)，所述第二定位弹簧(54)是一个环形的波浪状弹簧。
8.按照权利要求7所述的密封组件，其特征在于，所述密封件本体(16)包括一个轴向延伸部分，它形成一个面向径向的辅助密封表面，并且所述第二定位弹簧(54)迫使所述活塞环(50)与所述面向径向的密封表面密封地接触。
9.一种关于一轴线设置的用于燃气涡轮引擎的密封组件，其包括：
一个转子，它有一个面向轴向的第一主密封表面(13)；
一个不动的密封件支承结构(14)，它设置在邻近所述转子；
一个环形密封件本体(16)，其安装到所述密封件支承结构(14)上，并且设置在所述转子与所述密封件支承结构(14)之间，所述密封件本体(16)相对所述密封件支承结构(14)可轴向上移动，所述环形密封部件包括一个大致径向延伸部分，它形成一个面向轴向的第二主密封表面(24)，该密封表面面向所述第一主密封表面(13)，所述环形密封部件还包括一个大致轴向延伸部分，该延伸部分形成一个面向径向的辅助密封表面；
一个环形的活塞环(50)，它设置成围绕所述密封部件的所述轴向延伸部分；以及
一个设置在所述活塞环(50)与所述密封件支承结构(14)之间的第一定位弹簧(52)，从而在轴向上迫使所述活塞环(50)与所述密封件支承结构(14)密封地接触，所述第一定位弹簧(52)是一个环形的波浪状弹簧。
10.按照权利要求9所述的密封组件，其特征在于，所述密封件支承结构(14)包括一第一径向伸展的沿圆周的凸缘，它形成一个面向轴向的辅助密封表面。
11.按照权利要求10所述的密封组件，其特征在于，所述密封支承组件包括一第二径向伸展的沿圆周的凸缘，其以相对所述第一沿圆周的凸缘轴向上间隔开的关系设置，并且，将所述第一定位弹簧(52)设置在所述第一与第二沿圆周的凸缘之间。
12.按照权利要求9所述的密封组件，其特征在于，其还包括设置在所述密封件本体(16)与所述密封件支承结构(14)之间的回拉弹簧(48)，从而迫使所述密封件本体离开所述转子，所述回拉弹簧(48)是一个环形的波浪状弹簧。
13.按照权利要求12所述的密封组件，其特征在于，其还包括安装到所述密封件本体(16)上的密封件本体(16)的延伸件，所述密封件本体(16)的延伸件包括一个径向上伸展的环形凸缘和一个圆柱形部分，其中，所述回拉弹簧(48)设置在密封件本体(16)的延伸件的所述环形凸缘与所述密封件支承结构(14)的所述第二沿圆周的凸缘之间。
14.按照权利要求9所述的密封组件，其特征在于，其还包括设置在所述活塞环(50)与所述密封件支承结构(14)之间的第二定位弹簧(54)，从而迫使所述活塞环(50)径向向内抵靠在所述面向径向的辅助密封表面上，所述第二定位弹簧(54)是一个环形的波浪状弹簧。
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