JP2702287B2 - Dynamic pressure lubricated rotary shaft seal with torsional resistance zeometry - Google Patents

Dynamic pressure lubricated rotary shaft seal with torsional resistance zeometry

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JP2702287B2
JP2702287B2 JP7505105A JP50510593A JP2702287B2 JP 2702287 B2 JP2702287 B2 JP 2702287B2 JP 7505105 A JP7505105 A JP 7505105A JP 50510593 A JP50510593 A JP 50510593A JP 2702287 B2 JP2702287 B2 JP 2702287B2
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ディートル,ラニー
ディー. ゴーベリ,ジェフリー
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カルシー、エンジニアリング、インコーポレーテッド
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Description

【発明の詳細な説明】 本件はラニー・ダイトルおよびジェフリー D.ゴベリ
によって1992年3月13日に出願され「捻り抵抗ゼオメト
リーを有する動圧潤滑型回転軸シール」と称する米国特
願第07/851,532号の一部継続出願である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This application is filed on March 13, 1992 by Lanie Dittle and Jeffrey D. Gobeli and is referred to in U.S. patent application Ser. This is a continuation-in-part application of the issue.

発明の分野 本発明は一般に動圧潤滑型回転軸シールに関するもの
であり、特に放射方向圧縮の結果としてのシール捻れの
可能性を最小限に成す突出静圧密封界面ゼオメトリーを
有する動圧潤滑型回転軸シールに関するものである。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to a hydrodynamic lubricated rotary shaft seal, and more particularly to a hydrodynamic lubricated rotary with protruding hydrostatically sealed interfacial zeometry that minimizes the possibility of seal torsion as a result of radial compression. It relates to a shaft seal.

発明の背景 油田掘削工業においては、米国特許第4,610,319号の
原理に基づきテキサス、シュガーランドのカルシ・エン
ジニアリング・インコーポレイテッドから登録商標Kals
i Sealsで市販されている動圧潤滑型リング状絞りパッ
キン型回転軸シールが多数使用されている。これらの動
圧潤滑型シールはダウンホール油井掘削環境など激しい
摩損環境において潤滑剤の保持と汚染物排除を実施する
ために使用されており、低潤滑剤圧および高潤滑剤圧プ
ラントの両方において成功している。現在市販の掘削関
係器具はロータリコーン・ロックビッド、マッド・モー
タ、高速コーリング・スイベルおよび回転掘削ヘッドを
含む。動圧潤滑型シールまたは動圧シールに関するすべ
ての引例は前記の米国特許の原理を実施したシールに関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION In the oilfield drilling industry, Kals is a registered trademark of Calci Engineering, Inc. of Sugarland, Texas, based on the principles of U.S. Patent No. 4,610,319.
A number of dynamic pressure lubricated ring-shaped diaphragm packing type rotary shaft seals commercially available from i Seals are used. These dynamic pressure lubricated seals have been used to perform lubricant retention and decontamination in severely worn environments such as downhole oil well drilling environments and have been successful in both low and high lubricant pressure plants. doing. Currently commercially available drilling equipment includes rotary cone rock bids, mud motors, high speed calling swivels and rotary drilling heads. All references to dynamic lubrication or dynamic seals relate to seals that implement the principles of the aforementioned U.S. Patent.

第11図乃至第18図は、先行技術のシールおよび本発明
のシールの差異を理解してもらうために説明される先行
技術動圧シールに関するものである。動圧回転軸シール
について最も使用される用具は低潤滑剤圧の用具、ロー
タリ・コーン・ドリルビットであって第11図に図示され
ている。このドリルビットシールの断面ゼオメトリー
は、軸界面の形状、長さおよび相対位置によって、また
シールグルーブの相対位置によって決定される。その結
果、シールの静圧ゼオメトリーに対してほぼ定心された
動圧接触ゼオメトリーが得られる。ドリルビットシール
は静圧密封面1と、掘削流体と接触するための環境側面
2と、ビットの潤滑剤チャンバ中の潤滑剤と接触するた
めの潤滑剤側面3とを画成する。またこのシールは急角
度の排除縁4と動圧密封界面5とを形成し、この動圧界
面は軸の円筒形密封面6と接触しまた潤滑剤に露出され
た非円形動圧縁7を形成する。軸の隅部湾曲部8によっ
て、シールの環境側面または泥水側面2と急角度の排除
縁4とが横方向に片寄り関係に配置される。このフィー
チャは、ドリルビットの動圧密封界面を静圧界面に対し
て実質的に定心させる。従って、ドリルビットは放射方
向に圧縮し、シールの捻れを誘発しない。このドリルビ
ットシールの円筒状の動圧密封界面5とシャフトの円筒
型密封面6との接触区域、即ち「足跡」を平面的に展開
して図示した図を第13図に示す。
FIGS. 11 to 18 relate to a prior art dynamic pressure seal which is described to help understand the differences between the prior art seal and the seal of the present invention. The most commonly used tool for a hydrodynamic rotary shaft seal is a low lubricant pressure tool, a rotary cone drill bit, which is illustrated in FIG. The cross-sectional zeometry of the drill bit seal is determined by the shape, length and relative position of the shaft interface and by the relative position of the seal groove. The result is a dynamic pressure contact zeometry that is substantially centered with respect to the static pressure zeometry of the seal. The drill bit seal defines a hydrostatic sealing surface 1, an environmental side 2 for contacting drilling fluid, and a lubricant side 3 for contacting lubricant in the lubricant chamber of the bit. The seal also forms a steep exclusion edge 4 and a hydrodynamic sealing interface 5 which contacts the cylindrical sealing surface 6 of the shaft and forms a non-circular hydrodynamic edge 7 exposed to the lubricant. Form. The corner bend 8 of the shaft places the environmental or muddy side 2 of the seal and the steep edge 4 in a laterally offset relationship. This feature substantially centers the hydrostatic sealing interface of the drill bit with respect to the hydrostatic interface. Thus, the drill bit compresses radially and does not induce twisting of the seal. FIG. 13 is a plan view of the contact area between the cylindrical dynamic pressure sealing interface 5 of the drill bit seal and the cylindrical sealing surface 6 of the shaft, that is, the "footprint", is shown in FIG.

ドリルビットシールのテスト 動圧ドリルビットシールと通常の楕円形断面の非動圧
ビットシールの多数のサンプルを使用した現地テストに
より、動圧シールの動圧フィーチャと排除フィーチャが
シールおよび対応の相対回転軸面の摩耗を低下させるの
に有効である事が示された。二、三の場合には、動圧シ
ールの内側面は長期テスト後においても実際上摩耗して
いなかった。すなわち型穴から出されたままの仕上げ面
がなお見られた。同一のテスト条件において、対称サン
プルとして使用された標準的非動圧シールは内側面に相
当のグルーブを示し、また対応の軸密封面にもグルーブ
を生じた。現地テストのデータの分析からビットメーカ
ーは、「動圧潤滑型シールを使用する事により密封軸受
ロックビットの寿命と信頼度が著しく改良される」と結
論し、この型のシールを広くロータリー・コーン・ドリ
ルビットにおいて使用する事になった。
Drill bit seal testing Field tests using a large number of samples of dynamic pressure drill bit seals and non-dynamic pressure bit seals of normal elliptical cross-section show that the dynamic pressure features and reject features of the dynamic pressure seals and their relative rotation It has been shown to be effective in reducing shaft surface wear. In a few cases, the inner surface of the dynamic pressure seal was practically not worn after the long-term test. That is, the finished surface as it came out of the mold cavity was still seen. Under the same test conditions, the standard non-dynamic seal used as a symmetrical sample showed significant grooves on the inside surface and also had a corresponding groove on the shaft sealing surface. Analysis of the data from the field tests concluded that the bit maker said that "the use of a hydrodynamically lubricated seal significantly improves the life and reliability of hermetically sealed bearing lock bits."・ Used in drill bits.

動圧ドリルビットの開発中、動圧密封界面の形状およ
び位置、動圧界面接触圧輪郭の性質およびパッキン押さ
え中の断面全体のフィットを制御するために、動圧ドリ
ルビットシールのゼオメトリーについて広範な移動有限
要素分析をした。ビットシールのフィルム厚さおよび界
面接触圧の予測値は、「クサビ」作用によって誘発され
るシールの潤滑が代表的作動状態において適当でありま
た界面圧分布が排除縁の近くで急激に上昇するので非常
に望ましい事を示した。
During the development of the hydrodynamic drill bit, a wide range of hydrodynamic drill bit seal zeometry was used to control the shape and location of the hydrodynamic sealing interface, the nature of the hydrodynamic interface contact pressure profile and the fit of the entire cross-section during packing gland. A moving finite element analysis was performed. Predictions for bit seal film thickness and interfacial contact pressure are due to the fact that seal lubrication induced by the "wedge" effect is adequate in typical operating conditions and that the interfacial pressure distribution increases sharply near the rejection edge. Demonstrated very desirable.

実際作業中に見られる種々の圧力条件および温度条件
のもとにビットシールの界面接触区域の形状も実験的に
測定された。その測定結果は、第13図において「F」で
示すビットシール界面接触区域または「足跡」が温度お
よび圧縮力の増大と共に徐々に拡大するが、動圧縁Aの
波形はその高さと形状を非常によく保持し、またシール
の急激な排除縁「B」が軸と接触を保ち、著しくふくれ
または軸から離れる傾向のない事を示した。足跡幅の測
定値は前記の有限要素分析の幅予測値と緊密に相関して
いた。
The geometry of the interfacial contact area of the bit seal was also measured experimentally under various pressure and temperature conditions found during actual operation. The measurement results show that the bit seal interface contact area or “footprint” indicated by “F” in FIG. 13 gradually expands with an increase in temperature and compressive force, but the waveform of the dynamic pressure edge A has a very high height and shape. And the sharp exclusion edge "B" of the seal remained in contact with the shaft and showed no significant blistering or tendency to separate from the shaft. Footprint width measurements were closely correlated with the finite element analysis width estimates.

ビットシールの有限要素分析は、平均波高で型出しさ
れたままのビットシールの断面ゼオメトリーが圧縮に際
して比較的安定であって1方向または他方向への大きな
傾斜傾向を有しない事を示した。この設計の固有の安定
性は、内側動圧密封ゼオメトリーが外側静圧密封ゼオメ
トリーに対して軸方向にほぼ定心している事実と関連が
ある。
Finite element analysis of the bit seal showed that the cross-sectional zeometry of the bit seal as molded at the average wave height was relatively stable upon compression and did not have a large tendency to tilt in one or the other direction. The inherent stability of this design is related to the fact that the inner hydrostatic zeometry is substantially axially centered with respect to the outer hydrostatic zeometry.

この動圧ビットシールは低圧またはゼロ圧の用途にお
いては比較的安定しているが、500−1500psiのマッド・
モータの密封軸受潤滑剤保持作業などの高圧用途につい
ては適当でないと思われる。動圧密封ゼオメトリーがシ
ールパッキン押さえの壁体によって直接に支持されてい
ないからである。ビットシールが高い潤滑剤圧に露出さ
れる場合、シールはパッキン押さえの反対側壁タイに向
かって押されるであろう。パッキン押さえ壁体との最初
の接触は、軸との密封界面より実質的に大きな直径部分
において生じるであろう。壁体接触面と軸接触面との間
の非支持区域に作用する静圧は、シールの内側直径部分
に対して巨大な力を加えるであろう。その結果潤滑剤圧
がシールの内側直径部分を反対側パッキン押さえ壁体に
向かって押すので、この部分は異常なゆがみを受けるで
あろう。このような動圧ゼオメトリーの大きなゆがみは
界面の動圧潤滑を妨げ、従って直接摩擦接触、摩擦熱に
よる融解およびエラストマーの軟化による急速な押出し
作用の結果、シールの急速な破損を生じるであろう。
This dynamic bit seal is relatively stable in low or zero pressure applications, but has a mud resistance of 500-1500 psi.
It may not be suitable for high pressure applications, such as motor sealed bearing lubricant retention operations. This is because the dynamic pressure sealing zeometry is not directly supported by the wall of the seal packing retainer. If the bit seal is exposed to high lubricant pressure, the seal will be pushed toward the side wall tie opposite the gland. Initial contact with the packing gland will occur at a diameter substantially larger than the sealing interface with the shaft. Static pressure acting on the unsupported area between the wall contact surface and the shaft contact surface will exert a huge force on the inner diameter of the seal. As a result, the lubricant pressure will push the inner diameter portion of the seal toward the opposite packing gland, which will be subject to abnormal distortion. Such large distortions in hydrodynamic zeometry prevent hydrodynamic lubrication of the interface, and therefore will result in rapid seal failure as a result of direct frictional contact, melting by frictional heat and rapid extrusion by elastomer softening.

汎用動圧シール 前記の米国特許の主旨の範囲内において汎用動圧シー
ルも開発された。先行技術を示す第12図および第12A図
において、第12図はシールがパッキン押さえの中で圧縮
された状態を示し、また第12A図はシールの非圧縮状態
を示す。第12図において、代表的な汎用動圧回転軸シー
ルEが円形のハウジンググルーブの中に設置され、この
ハウジングは弾性円形密封要素を放射方向に圧縮して軸
の円筒形密封面に対して当接保持するサイズを有し、こ
のようにしてハウジングに対して静圧シールを生じ、ま
たOリングのような通常の絞りパッキングシールと同様
に回転軸に対して動圧シールを成す。軸が回転し始める
時、この動圧シールはハウジングに対して静止状態にあ
り、ハウジングに対して静圧密封界面を成し、またシー
ルと軸の界面が動圧シール界面となる。
Universal Dynamic Pressure Seals Universal dynamic pressure seals have also been developed within the spirit of the aforementioned US patents. In FIGS. 12 and 12A showing the prior art, FIG. 12 shows a state where the seal is compressed in the packing gland, and FIG. 12A shows an uncompressed state of the seal. In FIG. 12, a typical universal hydrodynamic rotary shaft seal E is installed in a circular housing groove, which radially compresses an elastic circular sealing element against the cylindrical sealing surface of the shaft. It is sized to bear against and thus provides a hydrostatic seal to the housing, and a dynamic pressure seal to the rotating shaft, similar to conventional throttle packing seals such as O-rings. When the shaft begins to rotate, the hydrostatic seal is stationary with respect to the housing and forms a hydrostatic seal interface with the housing, and the seal-shaft interface is the hydrodynamic seal interface.

第12図、第12A図および第13図に示すように、この動
圧シールの内側面Dは、動圧シール/軸界面区域を動圧
的に潤滑しまたこの界面から環境汚染物質を排除する事
によってシールの寿命を生じるようなゼオメトリーを有
する。動圧シールの内周ゼオメトリーは、潤滑剤側にお
いて波形に軸方向に変動する縁Aと、環境側面Cの急角
度の排除縁Bとを含む。軸の相対回転運動が開始される
と、軸方向に徐々に集中する形状Gを有する潤滑剤側L
の波形が第13図に示すように動圧クサビ作用(回転速度
Vの垂直成分Vnによる作用)を生じ、この作用がシール
Eと軸Hとの間に潤滑剤フィルムを導入する。この潤滑
剤フィルムは物理的にシールと軸とを離間し、このよう
にして先行技術の非動圧型絞りパッキング型シールにつ
いて見られた代表的な乾燥摩擦型摩耗を防止し、またこ
れによってシールとその対応の軸の寿命を延長させ、よ
り高い作業圧縮を可能とする。環境側Cのシール/軸界
面におけるまっすぐな急角度の縁Bは軸方向に変動する
事なく動圧クサビ作用を発生しないので、シール/軸界
面から汚染物質粒子を排除するように作用する。多くの
型の回転装置においてはその成分の可撓性と種々の内部
間隙とによってわずかな軸運動が生じる。密封界面の非
動圧側の縁の急角度の隅部Bは一般に排除側または排除
縁として知られ、前記のような軸方向運動の際に軸をか
き落とす作用によって汚染物質を排除する。従って、軸
とシールとの間に相対軸方向運動が生じる時、堆積した
汚染物質、代表的には摩耗性物質が軸の密封面からかき
落とされるので、動圧密封界面から汚染物が排除され
る。さらに、潤滑剤と動圧縁Aとの相互作用によって生
じる動圧クサビ作用は、動圧界面の潤滑剤側から環境側
への制御された潤滑剤ポンプ輸送作用を生じ、その結果
として僅少な潤滑剤漏れレートを生じる。このような漏
れまたは潤滑剤フィルム運動は、排除縁Bを通して動圧
密封界面の中にどのような密封物質が入っていても、汚
染物質粒子を界面からシールの汚染物質側面まで排出す
る傾向を示す。
As shown in FIGS. 12, 12A and 13, the inner surface D of the hydrodynamic seal hydrodynamically lubricates and eliminates environmental pollutants from the hydrodynamic seal / shaft interface area. It has a zeometry that results in the life of the seal. The inner circumference zeometry of the dynamic pressure seal includes an edge A that fluctuates axially in a wavy fashion on the lubricant side, and a steep exclusion edge B on the environmental side C. When the relative rotational movement of the shaft is started, the lubricant side L having a shape G that gradually concentrates in the axial direction
13 produces a dynamic pressure wedge action (action by the vertical component Vn of the rotation speed V), and this action introduces a lubricant film between the seal E and the shaft H as shown in FIG. This lubricant film physically separates the seal from the shaft, thus preventing the typical dry-friction type wear seen with prior art non-hydrodynamic squeeze-packing type seals, and thereby the seal and shaft. The service life of the corresponding shaft is extended, and higher working compression is possible. The straight steep edge B at the seal / shaft interface on the environmental side C does not produce any dynamic pressure wedge action without axial fluctuations and thus acts to exclude contaminant particles from the seal / shaft interface. In many types of rotating devices, a slight axial movement occurs due to the flexibility of the components and the various internal gaps. The steep corner B of the non-dynamic side edge of the sealing interface is generally known as the reject side or reject edge and rejects contaminants by the action of scraping off the axis during such axial movement. Thus, when relative axial motion occurs between the shaft and the seal, the contaminants that are deposited, typically abrasive, are scraped off the sealing surface of the shaft, thereby removing the contaminants from the hydrostatic sealing interface. You. In addition, the dynamic wedge effect created by the interaction of the lubricant with the dynamic pressure edge A results in a controlled lubricant pumping action from the lubricant side of the dynamic pressure interface to the environmental side, resulting in minimal lubrication. This will cause a leak rate. Such leakage or lubricant film motion tends to eject contaminant particles from the interface to the contaminant side of the seal, regardless of any sealant entering the dynamic pressure sealing interface through the exclusion edge B. .

ドリルビットにおいて使用される動圧回転軸シールの
断面形状は他の用途のために市販されている断面形状と
著しく相違する。ドリルビット中のスペースが機械的強
度を考慮して厳しく制限され、また動圧ビットシールの
断面ゼオメトリーは、軸界面の形状と長さ、シールグル
ーブのゼオメトリーおよび相対位置によって決定され
る。シールに対するこのような拘束は、静圧密封界面に
対してほぼ定心された動圧密封界面のゼオメトリーを生
じる。この点について前記ビットシールの断面は標準型
の汎用カルシ・シール製造ラインの断面と実質的に相違
している。この標準型のシールは前記ビットシールと異
なり、高圧用および低圧用に設計されている。これらの
汎用シールは静圧密封界面に対して片寄った動圧密封界
面を有する。特定の低圧用に設計された前記ビットシー
ルと異なり、汎用動圧シールは高圧および低圧用に使用
されるように設計されている。このような理由から、汎
用シールの断面形状は前記ビットシールと実質的に相違
している。急角度の排除縁は好ましくはシールの環境側
末端に配置される。汎用動圧シール上の排除縁の位置
は、高圧用途に際してパッキン押さえの壁体から支持す
る必要によって決定される。この形状は、高い潤滑剤圧
条件が存在する場合、第12図に示すように潤滑剤と汚染
物質との間の圧力差によってシールの排除側面がパッキ
ン押さえの壁体に対して押圧されるという事実によって
決定される。もし排除縁がシールの環境側面の末端にな
ければ、先に高圧を受けるビットシールの場合について
述べたように、シールは大きなゆがみを受けて動圧作用
を実施できないであろう。
The cross-sectional shape of the hydrodynamic rotary shaft seal used in the drill bit differs significantly from the cross-sectional shapes marketed for other applications. The space in the drill bit is severely limited in consideration of mechanical strength, and the cross-sectional geometry of the hydrodynamic bit seal is determined by the shape and length of the shaft interface, the geometry and relative position of the seal groove. Such a constraint on the seal results in a zeometry of the hydrostatic sealing interface substantially centered with respect to the hydrostatic sealing interface. In this regard, the cross section of the bit seal is substantially different from the cross section of the standard general purpose seal seal production line. Unlike the bit seals, this standard type seal is designed for high pressure and low pressure. These universal seals have a hydrodynamic sealing interface that is offset from the hydrostatic sealing interface. Unlike the bit seals that are designed for specific low pressures, universal dynamic pressure seals are designed to be used for high and low pressures. For this reason, the cross-sectional shape of the general-purpose seal is substantially different from that of the bit seal. The steep exclusion edge is preferably located at the environmental end of the seal. The location of the reject edge on the universal dynamic pressure seal is determined by the need to support from the packing gland wall in high pressure applications. This configuration is such that when high lubricant pressure conditions exist, the pressure difference between the lubricant and the contaminant causes the reject side of the seal to be pressed against the packing retainer wall as shown in FIG. Determined by the facts. If the exclusion edge is not at the end of the environmental side of the seal, the seal will not be able to perform dynamic pressure action due to significant distortion, as described above for the high pressure bit seal case.

汎用動圧シールの設計は急角度の排除縁がシールの環
境側面の末端に配置されているので、またシールの環境
側面の形状が環境側のパッキン押さえ壁体の形状と実質
的に同一であるので、汎用シールは、ハウジングと軸と
の間に存在するギャップI以外のすべての箇所において
潤滑剤の圧力に対してよく支持されている。このギャッ
プはしばしば押出しギャップと呼ばれ、シール材料の合
成がこのギャップを橋かけし動圧によって生じる変形に
抵抗できるように非常に小さく設計される。
The design of the universal dynamic pressure seal is such that the steep exclusion edge is located at the end of the environmental side of the seal, and the shape of the environmental side of the seal is substantially the same as the shape of the packing wall on the environmental side Therefore, the universal seal is well supported against the lubricant pressure at all points except the gap I existing between the housing and the shaft. This gap is often called the extrusion gap and is designed to be very small so that the synthesis of the sealing material can bridge this gap and resist deformation caused by dynamic pressure.

問題点の説明 第12図に図示の汎用動圧シールは(高圧マッド・モー
タシールとして広く使用されている事によって証明され
るように)摩損物質環境の下に圧下潤滑剤を保持するた
めには非常によく作動するが、摩損性環境の中で非圧下
または低圧下潤滑剤を保持するために使用される場合に
しばしば過早な摩損を示す。
DESCRIPTION OF THE PROBLEM The universal dynamic pressure seal shown in FIG. 12 is required to hold down lubricant in an abrasive material environment (as evidenced by its widespread use as a high pressure mud motor seal). Works very well, but often exhibits premature wear when used to hold a lubricant under non-compression or low pressure in an abrasive environment.

汎用動圧シールの最も一般的な低圧用途は、油井掘削
マッド・モータの密封軸受組立体であって、この種の軸
受組立体は堅い土壌および岩石層の中に掘削するために
使用され、特に困難な軸密封用途である。
The most common low pressure application of universal dynamic pressure seals is the sealed bearing assembly of oil well drilling mud motors, where such bearing assemblies are used to drill into hard soils and rock formations, This is a difficult shaft sealing application.

マッド・モータ上の低圧シールは下記の相反する条件
組合せのもとに作動しなければならない。
The low pressure seal on the mud motor must operate under the following conflicting set of conditions.

1.横方向軸撓みの高い変動レベル、 2.地熱、軸受およびシール発生熱による高温環境、 3.非常に摩耗性の掘削流体環境、 4.制限された潤滑剤タンク容積、 5.厳しい放射方向および軸方向スペース拘束、 6.固定軸とハウジングとの不整列、 7.高レベルの振動、 8.機械的内部間隙と成分の弾性とによる軸方向運動、 9.圧力バランスによるシールの軸方向運動。1. High fluctuation level of lateral shaft deflection, 2. High temperature environment due to geothermal, bearing and seal generated heat, 3. Extremely abrasive drilling fluid environment, 4. Limited lubricant tank volume, 5. Severe radial direction And axial space constraints, 6. Misalignment of fixed shaft and housing, 7. High level vibration, 8. Axial movement due to mechanical internal clearance and elasticity of components, 9. Axial movement of seal due to pressure balance .

低圧掘削マッド・モータシールは前記のような悪条件
の組合せのもとに低漏れレートと信頼できる長寿命をも
って作動する能力を有しなければならない。またマッド
・モータの高圧シールは前記のような問題点のほか、50
0−1500psiの潤滑剤圧に耐えなければならない。
Low pressure drilling mud motor seals must be capable of operating with a low leakage rate and a reliable long life under these adverse combinations of conditions. In addition, the high pressure seal of the mud motor has the above problems,
Must withstand 0-1500 psi lubricant pressure.

マッド・モータはドリルストリングの下端に配置さ
れ、ドリルビットの回転動力を生じる正方向移動水圧モ
ータである。このモータは循環掘削流体によって駆動さ
れ、この掘削流体は掘削カッティングスを油井から排出
するためにも使用される。
The mud motor is a forward moving hydraulic motor that is arranged at the lower end of the drill string and generates the rotating power of the drill bit. The motor is driven by circulating drilling fluid, which is also used to drain drilling cuttings from the well.

マッド・モータ全体は3個の主要サブ組立体から成
る。すなわち水圧モータ、自在継手および軸受組立体を
含む。循環する掘削流体がモータのロータを駆動する。
自在継手がこの回転運動をロータから軸受サブ組立体の
回転軸に伝達し、この回転軸に対してドリルビットがね
じ込み連結されている。ドリルストリングから軸受サブ
組立体のスラスト軸受を介してドリルビットに対して重
量が伝達される。
The entire mud motor consists of three main subassemblies. That is, it includes a hydraulic motor, a universal joint and a bearing assembly. The circulating drilling fluid drives the rotor of the motor.
A universal joint transmits this rotational movement from the rotor to the axis of rotation of the bearing subassembly, to which the drill bit is threadably connected. Weight is transmitted from the drill string to the drill bit via the thrust bearing of the bearing subassembly.

ビットが回転する際に、ビットはこれに加えられる重
量の作用で地層に衝突して破砕し、そのためビット重量
はビット切削構造によって集中される。軸受サブ組立体
の放射方向軸受がビットをドリルストリングに対して配
向し案内する。
As the bit rotates, the bit impacts the formation and fractures under the effect of the added weight, so that the bit weight is concentrated by the bit cutting structure. The radial bearings of the bearing subassembly direct and guide the bit relative to the drill string.

ステアリングシステムにおいては、モータサブ組立体
と軸受サブ組立体との間にベントハウジングが使用され
る。方向制御は、このベントハウジングを所望の走行方
向に瞬間的に向けるようにドリルストリングを回転され
る事により実施される。直進掘削はドリルストリングの
連続回転によって実施される。ベントハウジングは直進
掘削モードにおいても指向性掘削モードにおいても軸受
サブ組立体の放射方向軸受に対して通過の側方荷重を加
え、また軸方向荷重の頻繁な変動と協働して、高レベル
の軸たわみ変動に寄与する。
In steering systems, a vent housing is used between the motor subassembly and the bearing subassembly. Direction control is performed by rotating the drill string to momentarily orient the vent housing in the desired direction of travel. Straight drilling is performed by continuous rotation of the drill string. The vent housing applies a passing lateral load to the radial bearings of the bearing subassembly in both straight and directional drilling modes, and in conjunction with frequent variations in axial load, Contributes to shaft deflection fluctuation.

マッド・モータの軸受組立体のすべてのハウジングは
軸受潤滑剤によって満たされ、この潤滑剤は軸受ハウジ
ング構造の両端において回転密封要素によって保持され
る。潤滑剤は掘削流体の圧に対して圧力平衡され、多く
の設計は潤滑剤をドリルストリングの穴の中の圧力に対
して平衡させる。この圧力平衡は圧力平衡ピストンによ
って実施され、このピストンはハウジングに対して滑り
密封関係にあり、また軸に対して回転密封関係にある。
圧力平衡ピストンの回転シールは、汎用動圧シールが一
般に掘削マッド・モータの密封軸受組立体の低圧シール
として使用される2つの箇所の一方である。
All housings of the bearing assembly of the mud motor are filled with bearing lubricant, which is held at both ends of the bearing housing structure by rotary sealing elements. The lubricant is pressure balanced against the pressure of the drilling fluid, and many designs balance the lubricant against the pressure in the drill string holes. This pressure equalization is performed by a pressure equalizing piston, which is in a sliding sealing relation to the housing and in a rotary sealing relation to the shaft.
The rotary seal of the pressure balancing piston is one of two locations where universal dynamic pressure seals are commonly used as low pressure seals in sealed bearing assemblies for drilling mud motors.

掘削流体が密封軸受サブ組立体の中空軸を通過し、次
にドリルビットジェットを通過して油井のアナラスの中
に入った後、その圧力はドリルストリングの孔圧力より
約500−1500psi低いレベルまで落ちる。軸受組立体中の
潤滑剤圧がドリルストリング圧またはアナラス圧のいず
れかに平衡されるのであるから、ロータリーシールの1
つが潤滑剤と環境との間に500−1500psiの圧力降下を含
まなければならない。通常潤滑剤はドリルストリングに
対して平衡されるので、一般に組立体の下端に向かって
高圧シールが使用される。
After the drilling fluid has passed through the hollow shaft of the sealed bearing subassembly and then through the drill bit jet and into the well of the well, its pressure is reduced to a level about 500-1500 psi below the drill string bore pressure. drop down. Since the lubricant pressure in the bearing assembly is balanced to either the drill string pressure or the analass pressure, one of the rotary seals
One must include a 500-1500 psi pressure drop between the lubricant and the environment. Since the lubricant is usually balanced against the drill string, a high pressure seal is generally used towards the lower end of the assembly.

経験の示すように、バリヤ流体とロータリバリヤシー
ルとを備える事により高圧シールとその周囲の機械構造
を研摩性ドリル流体環境から防護する事が望ましい。バ
リヤシール構造は、汎用動圧シールが掘削マッド・モー
タの密封軸受組立体の中で低圧シールとして使用される
2つの箇所の第2箇所であって、高圧シールの両側に清
浄な潤滑剤環境を形成する。
As experience has shown, it is desirable to provide a barrier fluid and a rotary barrier seal to protect the high pressure seal and the surrounding mechanical structure from the abrasive drilling fluid environment. The barrier seal structure creates a clean lubricant environment on both sides of the high pressure seal, the second of two locations where the universal dynamic pressure seal is used as a low pressure seal in the sealed bearing assembly of a drilling mud motor. I do.

バリヤシールが使用されなければ、高圧シールと周囲
の機械的構造が研摩性摩耗を受け、この摩耗は高圧シー
ルの性能を種々の面から劣化させる。ハウジングと軸と
の間に存在する押出しギャップ中の研摩性物質は軸およ
びハウジングの対応の孔に対して大きな摩損を生じて、
押出しギャップを拡大させるので、これが高圧ロータリ
シールの押出し抵抗を低下させる。研摩性軸摩耗は局所
グルーブの形をとる。相対内部組立体の間隙と支持部品
の弾性の結果としてハウジングと軸との間に相対軸方向
運動が生じた時、高圧シールの先端がグルーブを乗り越
える事によって破損する可能性がある。またバリヤシー
ルが使用されない場合に、二、三の掘削流体媒質が高圧
シールの材質を化学的に腐食する可能性がある。
If a barrier seal is not used, the high pressure seal and the surrounding mechanical structure are subject to abrasive wear, which degrades the performance of the high pressure seal in various ways. Abrasive material in the extrusion gap present between the housing and the shaft causes significant wear to the shaft and corresponding holes in the housing,
This reduces the extrusion resistance of the high pressure rotary seal, as it increases the extrusion gap. Abrasive shaft wear takes the form of local grooves. When relative axial movement occurs between the housing and the shaft as a result of the gap in the relative internal assembly and the elasticity of the support components, the tip of the high pressure seal can be broken by climbing over the groove. Also, if a barrier seal is not used, a few drilling fluid media can chemically corrode the material of the high pressure seal.

一般にバリヤシールは、ハウジングの孔に対して滑り
密封関係を有しまた軸に対して回転密封関係を有する浮
動圧力平衡ピストンの中に取付けられる。この浮動ピス
トンの目的は環境に対するバリヤ潤滑剤を圧力平衡する
にある。バリヤ潤滑剤はバリヤシールと高圧シールとの
間に捕らえられた潤滑剤である。
Generally, the barrier seal is mounted in a floating pressure balancing piston that has a sliding sealing relationship with the housing bore and a rotating sealing relationship with the shaft. The purpose of this floating piston is to pressure balance the barrier lubricant to the environment. Barrier lubricant is the lubricant trapped between the barrier seal and the high pressure seal.

マッド・モータ動圧シールの摩損調査 多数の種々のマッド・モータ密封軸受サブ組立体構造
の中で使用された低圧動圧シールの研究は低圧シールの
過早摩損が頻繁に生じる事を示している。1つの文献に
記載された場合、70時間以下の作動後に低圧シールの内
周の環境側にグルーブ型摩損が現れたが、両方のシール
はなおも有効であった。明らかにこの型の摩損は、動圧
密封界面の中に摩耗性物質が進入する事によって、すな
わち摩耗性粒子がシールの排除縁を越えて動圧密封界面
の中に入る事によって生じている。1つの低圧シールは
マッド・モータバリヤシールの中で200時間以上作動し
た後に摩損したがなお有効であった。性能が優れている
と同時に、内周面において完全に平滑に摩損され、実際
上最初の軸方向変動形状の兆候が残っていない他の多く
の低圧シールが見られた。
Mud Motor Dynamic Pressure Seal Wear Study Investigations of low pressure dynamic seals used in a number of different mud motor sealed bearing subassembly structures show that premature wear of low pressure seals occurs frequently. . When described in one document, groove-type attrition appeared on the environmental side of the inner periphery of the low pressure seal after less than 70 hours of operation, but both seals were still effective. Obviously, this type of abrasion is caused by the ingress of abrasive material into the hydrodynamic sealing interface, i.e., abrasive particles entering the hydrodynamic sealing interface beyond the exclusion edge of the seal. One low pressure seal was worn after operating in the mud motor barrier seal for over 200 hours but was still effective. A number of other low pressure seals were seen that, while having good performance, were completely and smoothly abraded on the inner surface, leaving virtually no indication of the first axially fluctuating shape.

マッド・モータ中で低圧使用された汎用動圧シールの
過早摩損に関する多くの証拠が得られたので、制御され
た実験室条件のもとにこの問題点を研究するテストが実
施された。このテストは、細密研摩された炭化タングス
テン表面上で最小限圧のもとに循環剤の存在において運
転する汎用動圧シールを含んでいた。このシールは回転
の前にこのシールをパッキン押さえの環境側面に対して
正確に配向するのに十分な瞬間的潤滑剤圧を加えた。シ
ールの環境側面が砂を含む研摩性研削流体に対して露出
された。このテスト中、潤滑剤温度はマッド・モータ運
転について予想される温度範囲内に保持された。
Given much evidence regarding premature wear of general purpose dynamic seals used at low pressure in mud motors, tests were conducted to study this problem under controlled laboratory conditions. This test involved a universal dynamic seal operating in the presence of a circulating agent under minimal pressure on a finely polished tungsten carbide surface. The seal applied a momentary lubricant pressure prior to rotation sufficient to orient the seal accurately relative to the environmental aspect of the gland. The environmental aspect of the seal was exposed to an abrasive grinding fluid containing sand. During this test, the lubricant temperature was kept within the temperature range expected for mud motor operation.

テスト工程中に、摩損の兆候を見るためほぼ24時間ご
とに組立体を分解した。再組立前に、シールと軸を完全
に洗滌した。組立てられたシールを環境側のパッキン押
さえ壁体に対して配向するために瞬間的潤滑剤圧を加え
た。
During the test process, the assembly was disassembled approximately every 24 hours to look for signs of wear. Prior to reassembly, the seal and shaft were thoroughly cleaned. Momentary lubricant pressure was applied to orient the assembled seal against the environmental packing gland.

毎日密封界面を洗滌しまた軸の捩れが小さかったにも
係わらず、シールは約100時間運転した時に、摩損バン
ドを示し始めた。約140時間で、摩損バンドの幅が顕著
に増大した。約160時間で、トルクが急激に増大して、
トルク値が倍以上になった。トルクの増大に伴って漏れ
レートの減少が見られた。約170時間でトルクはほとん
どその初値まで降下し、このレベルで約24時間運転し次
に増大し始めた。約200時間で、高いトルクレベルの故
にテストを終了した。テスト終了時にシールはなお有効
であったが、第14図に示すような摩損パタンを示した。
シールの汚染物側Cの動圧密封界面に円形の摩損グルー
ブJが形成されている事を注意しなければならない。
Despite the daily cleaning of the sealed interface and the low twist of the shaft, the seal began to show wear bands when operated for about 100 hours. At about 140 hours, the width of the attrition band increased significantly. In about 160 hours, the torque suddenly increased,
The torque value has more than doubled. A decrease in leakage rate was seen with increasing torque. At about 170 hours, the torque had almost dropped to its initial value, had been running at this level for about 24 hours, and then began to increase. At about 200 hours, the test was terminated due to the high torque level. At the end of the test, the seal was still effective, but exhibited a wear pattern as shown in FIG.
It should be noted that a circular wear groove J is formed at the hydrodynamic sealing interface on the contaminant side C of the seal.

約110時間からテスト終了まで、密封界面のこの箇所
に摩損パタンがだんだん増大するのが見られた。約100
時間で軸の摩損パタンはようやく視認する事ができた
が、感触できなかった。約200時間から、軸の摩損パタ
ンは容易に感触する事のできるつや消し組織を示した。
From about 110 hours to the end of the test, a progressive increase in the attrition pattern was seen at this point of the sealed interface. About 100
The wear pattern of the shaft was finally visible over time, but could not be felt. From about 200 hours, the shaft wear pattern showed a matte texture that could be easily felt.

最初は軸の摩耗パタンのつや消し組織または進入した
摩損物質がトルク増大の原因であると考えられていた。
しかし摩損したシールを場合によっては洗滌した後に新
しい軸面で運転させた時に高いトルクを示した事によっ
て、この考えは破られた。同様に新しいシールは軸の摩
損パタンの上で運転させた時に高いトルクを示さなかっ
た。テストに入って約150時間で発生したトルクの増大
は、シールの摩損によって動圧潤滑が失われた事による
と結論された。この結論は、トルクの増大と艫に漏れレ
ートの減少が生じた事によって支持される。
It was initially thought that the matte structure of the shaft wear pattern or the abraded material that had entered was responsible for the increased torque.
This idea was violated, however, by the fact that the worn seals, possibly after cleaning, had a high torque when operated on a new shaft. Similarly, the new seal did not exhibit high torque when operated on the shaft wear pattern. It was concluded that the increase in torque that occurred about 150 hours into the test was due to loss of hydrodynamic lubrication due to seal wear. This conclusion is supported by the increased torque and reduced leakage rate of the stern.

シールは200時間のテストの終了時に有効であったが
バリヤシールは実際使用時には、より動的な運転など条
件が厳しくなりまた24時間ごとに分解して洗滌されなか
ったので、これほど長く作動しなかった。
The seal was effective at the end of the 200 hour test, but the barrier seal did not operate for this long in actual use due to more demanding conditions such as more dynamic operation and disassembly and cleaning every 24 hours Was.

前記のテストにおいて、動圧潤滑の深刻な劣化とシー
ル摩損レートのこれに対応する増大ほか、トルクの急激
な増大が重大な意味をもっている。マッド・モータ中の
低圧シールの多くは浮動ピストンの中に搭載されてい
る。現存する唯一のピストンとハウジングとの密封界面
に外側滑りシールの摩擦が生じる。外側滑りシールはパ
ーカ・シールによって登録商標PolyPackで製造市販され
ているようなOリングまたは組立シールである。トルク
の急激な増大はピストンと滑りシールをハウジングの中
で回転させる。このような回転は、外側シールがハウジ
ング孔と乾燥摩擦接触しているので外側シールに対して
非常に破壊的である。その結果、外側シールの厳しい摩
損を生じ、このような摩損は数人の使用者によって報告
されまた出願人がこれを目撃した。急激なトルク増大は
パッキン押さえの中に動圧シール・スピンを生じ、乾燥
滑り接触の故にシールとパッキン押さえの摩損を生じ
る。このような事態を防止するため、多くのパッキン押
さえはシールの静的保持のために摩擦抵抗を増大するよ
うにグリッド噴射加工を受けいる。
In the above tests, severe degradation of dynamic pressure lubrication and corresponding increase in seal wear rate, as well as sharp increase in torque, are significant. Many of the low pressure seals in mud motors are mounted in floating pistons. Outer sliding seal friction occurs at the sealing interface between the only existing piston and housing. The outer sliding seal is an O-ring or an assembled seal as manufactured and sold under the trademark PolyPack by Parker Seal. The sudden increase in torque causes the piston and sliding seal to rotate within the housing. Such rotation is very destructive to the outer seal because the outer seal is in dry frictional contact with the housing bore. This resulted in severe wear of the outer seal, which was reported by several users and witnessed by the applicant. The sudden increase in torque results in a dynamic pressure seal spin in the gland and wear of the seal and gland due to dry sliding contact. To prevent this, many glands are subjected to grid blasting to increase frictional resistance for static retention of the seal.

軸とパッキン押さえとの間に偏心状態が存在する場
合、放射方向シール圧縮度がシール外周の約1/2におい
て減少し他の半分において増大する。このような偏心状
態において流体密封シールを保持するため、片寄り状態
において十分な圧縮レベルが保証されるのに十分な予備
的圧縮を実施しなければならない。同時に片寄り状態に
おいて見られる最大圧縮度がシール性能に対して悪影響
を与えてはならない。この理由から、シールが広範な圧
縮度に耐え得る事が望ましい。
If there is an eccentricity between the shaft and the gland, the radial seal compression decreases at about one half of the seal circumference and increases in the other half. In order to maintain a fluid-tight seal in such an eccentric state, sufficient pre-compression must be performed to ensure a sufficient level of compression in the offset state. At the same time, the maximum degree of compression seen in the offset state must not adversely affect the sealing performance. For this reason, it is desirable that the seal be able to withstand a wide range of compression.

汎用動圧圧縮シールの有限要素分析 本発明の汎用動圧シールの最初の設計においては最初
に有限要素分析は使用されなかったけれども、後日実験
室において、シールの一部が断面の潤滑剤末端において
回転中の軸に対してなんらかの摩擦を生じた事を軸上の
接触パタンが示したケースを調査するために有限要素分
析を十分に使用した。その時以来、油井に使用された掘
削マッド・モータからとられた低圧シールのサンプルに
おいて、シールと接触する軸の潤滑剤末端の他の例が発
見された。
Finite element analysis of a universal dynamic pressure seal Although finite element analysis was not initially used in the initial design of the universal dynamic pressure seal of the present invention, at a later date in the laboratory, a portion of the seal was Finite element analysis was used extensively to investigate the case where the contact pattern on the shaft showed some friction with the rotating shaft. Since that time, other examples of shaft lubricant contacts have been found in low pressure seal samples taken from drilling mud motors used in oil wells.

代表的な汎用静圧シールについて有限要素分析を実施
し、種々の温度条件、圧縮条件および潤滑剤圧条件のも
とに得られたシールの変形および界面接触圧を評価し
た。この分析は汎用シールが放射方向圧縮レベルの増大
のもとにますますゆがみまた捩られ、場合によってはシ
ールの潤滑剤末端が軸と接触する事を示した。先行技術
に関する第15図は、11%圧縮と180゜Fの温度上昇におい
て半波高でモデリングされた非圧縮汎用シールの有限要
素分析移動プロットを示す。波線Mはシールの非変形状
態を示す。実線Nは放射圧縮におけるシールの予想変形
状態を示す。この移動プロットは、モデリングされた条
件において、シールの潤滑剤末端の内側円形隅部Fが軸
面Qと接触するまでシールが捩れる事を示す。このよう
な接触状態を示す低圧シール/軸接触パタンは実験室テ
ストサンプルにも、また現地から戻されたマッド・モー
タの低圧シールについても見られた。
Finite element analysis was performed on a typical general-purpose static pressure seal, and the deformation and interface contact pressure of the seal obtained under various temperature conditions, compression conditions, and lubricant pressure conditions were evaluated. This analysis showed that the universal seal became increasingly distorted under increasing radial compression levels, and in some cases the lubricant end of the seal contacted the shaft. FIG. 15 for the prior art shows a finite element analysis transfer plot of an incompressible universal seal modeled at half-wave height at 11% compression and a 180 ° F. temperature rise. The wavy line M indicates the undeformed state of the seal. Solid line N shows the expected deformation of the seal in radial compression. This displacement plot shows that in the modeled condition, the seal twists until the inner circular corner F at the lubricant end of the seal contacts the axial surface Q. A low pressure seal / shaft contact pattern exhibiting such contact was seen in laboratory test samples as well as on mud motor low pressure seals returned from the field.

また非圧縮シールの有限要素分析は他の望ましくない
傾向を示している。すなわちパッキン押さえ中のシール
の捩れの故にシールの急角度の押出し縁Bが比較的低い
初圧のもとにおいてさえ軸から持ち上がる。このような
持ち上がり傾向は圧縮度が増大すると共に圧下する。第
18図は、第15図の場合と同様に11%圧縮および180゜F温
度上昇において半波高でモデリングされた非圧縮汎用シ
ールの移動プロットの排除縁部分の拡大断面図である。
この第18図は圧縮によって誘導されたシールの捩れの結
果、排除縁Rが回転軸Qから持ち上げられている状態を
示す。その結果、シールは動圧シール界面Tの環境側に
おいて徐々に集中するS型を有する。シールの緩やかに
集中する形状は、有限要素分析によって予想された界面
接触圧輪郭の中に反映されている。
Also, finite element analysis of uncompressed seals shows other undesirable trends. That is, due to the torsion of the seal during packing, the steep extrusion edge B of the seal lifts off the shaft even at relatively low initial pressure. Such a lifting tendency decreases as the degree of compression increases. No.
FIG. 18 is an enlarged cross-sectional view of the exclusion rim of a moving plot of an uncompressed universal seal modeled at half-wave height at 11% compression and a 180 ° F. temperature rise as in FIG.
FIG. 18 shows a state in which the exclusion edge R has been lifted from the rotation axis Q as a result of the seal torsion induced by compression. As a result, the seal has an S-type that gradually concentrates on the environmental side of the dynamic pressure seal interface T. The loosely concentrated shape of the seal is reflected in the interface pressure profile predicted by finite element analysis.

急角度の縁は排除掻き落とし作用を生じるためのもの
であるから、理想的には動圧密封界面の環境側の接触圧
輪郭はシールの急角度縁において急激に上昇しなければ
ならない。汎用動圧シールが非圧力潤滑剤用に使用され
る場合、掻き落とし作用は存在しない。その代わりに局
所シールゼオメトリーは前述の軸との徐々の集中の形を
取り、これが軸の軸方向運動の際に研摩性物質を捕捉す
るために理想的である。軸受その他の機械的間隙および
成分の可撓性の故に、マッド・モータ密封軸受組立体の
中に軸の微細軸方向運動が存在する。シールの急角度縁
の持ち上げとシールの局所集中ゼオメトリーの結果、軸
方向運動は研磨性物質を動圧密封界面の中に駆動する。
その結果、シールと軸の摩損を生じる。
Ideally, the contact pressure profile on the environmental side of the hydrodynamic sealing interface should rise sharply at the steep edge of the seal, because the steep edge is for producing a scraping action. If a universal hydrostatic seal is used for non-pressure lubricant, there is no scraping action. Instead, local seal zeometry takes the form of a gradual concentration with the aforementioned shaft, which is ideal for trapping abrasive material during axial movement of the shaft. Due to the flexibility of the bearings and other mechanical clearances and components, there is micro axial movement of the shaft in the mud motor sealed bearing assembly. As a result of raising the steep edge of the seal and locally concentrating zeometry of the seal, the axial movement drives the abrasive material into the hydrodynamic sealing interface.
This results in seal and shaft wear.

パッキン押さえ中のシールの捻り度は動圧波の局所高
さに関連する。急角度縁の傾斜と対応の持ち上げは、波
の低点において大きく、波の高点において小さい。これ
は動圧密封界面の環境側の最後の接触点が動圧導入波高
の関数として軸方向に変動する事を意味する。不幸にし
て、この現象は排除縁の動圧作用を制限し、この排除縁
は環境汚染粒子を密封界面の中にクサビどめし、軸の軸
方向運動が存在しなくてもシールの過早摩損を生じ、従
ってシールの作動寿命を制限する。この結論は、軸方向
運動の存在しなかった実験室テストから得られた摩耗シ
ールによって支持される。
The degree of twisting of the seal during packing gland is related to the local height of the dynamic pressure wave. The steep edge slope and corresponding lift are large at the low point of the wave and small at the high point of the wave. This means that the last contact point on the environmental side of the dynamic pressure sealing interface fluctuates in the axial direction as a function of the dynamic pressure introduction wave height. Unfortunately, this phenomenon limits the dynamic pressure action of the exclusion edge, which causes the polluting particles to wedge into the sealing interface and premature wear of the seal in the absence of axial axial movement. And thus limit the operating life of the seal. This conclusion is supported by wear seals obtained from laboratory tests where there was no axial movement.

また前述と同様の11%圧縮、180゜Fの有限要素分析を
第16図に図示のように100psiの差圧で実施した。この荷
重から、潤滑剤側の圧力がシールを直立させて環境側の
潤滑剤壁体に当接させる事が予想された。これは予想さ
れたように急角度縁を軸と接触させ、その結果、予想さ
れたように密封界面の環境側において急激な接触圧力輪
郭と予想通りの排除掻き落とし作用を生じた。また潤滑
剤のシール直立効果はシールの潤滑剤末端における軸と
の接触を防止する望ましい効果を示した。
Also, a finite element analysis of 11% compression and 180 ° F. as described above was performed at a differential pressure of 100 psi as shown in FIG. From this load, it was expected that the pressure on the lubricant side would cause the seal to stand upright and abut against the lubricant wall on the environment side. This brought the sharp edge into contact with the shaft as expected, resulting in a sharp contact pressure profile and the expected scraping action on the environmental side of the sealing interface as expected. Also, the seal upright effect of the lubricant showed a desirable effect of preventing contact with the shaft at the lubricant end of the seal.

また第17図に図示のように、15%の圧縮度と180゜Fの
温度差において汎用シールをモデリングした。この圧縮
レベルにおいては、実際上シールの内側部分全体が軸に
対して平坦に成された。またこのシールモデルは100psi
の差圧を潤滑剤側に加えた時にも軸に対して実際上平坦
なままであった。このような動圧ゼオメトリーの極端な
ゆがみはシールの所望の動圧ポンピング作用をきびしく
抑制しまたは完全に排除する。これは、円形縁Fの軸と
の接触により動圧縁Gが実際上潤滑剤から離間されてい
るからである。
Also, as shown in FIG. 17, a general purpose seal was modeled at a compression ratio of 15% and a temperature difference of 180 ° F. At this compression level, virtually the entire inner part of the seal was made flat with respect to the axis. Also this seal model is 100psi
When the differential pressure was applied to the lubricant side, it remained practically flat with respect to the shaft. Such extreme distortion of hydrodynamic zeometry severely inhibits or completely eliminates the desired hydrodynamic pumping action of the seal. This is because the dynamic pressure edge G is actually separated from the lubricant by the contact of the circular edge F with the shaft.

この有限要素分析結果から、100psiまたはこれ以上の
潤滑剤圧力が存在すれば12%までの圧縮度を使用できる
が、潤滑剤圧力の不存在において汎用シールの初圧縮度
は9%以下に制限されなければならないと結論された。
この有限要素分析結果に基づいて、カルシ・エンジニア
リング、インコーポレイテッドは7−1/2%の圧縮度を
推奨しはじめた。これより高い圧縮レベルに耐える事の
できるシールが望ましい事は明かである。このようなシ
ールは不整列、振れ、製造公差、圧縮硬化、および摩耗
によりよく耐える事ができるからである。
From this finite element analysis, up to 12% compression can be used in the presence of 100 psi or higher lubricant pressure, but the initial compression of a universal seal is limited to 9% or less in the absence of lubricant pressure. It was concluded that it had to be.
Based on the results of this finite element analysis, Calci Engineering, Inc. has begun to recommend a degree of compression of 7-1 / 2%. Clearly, a seal that can withstand higher compression levels is desirable. Such seals are better able to withstand misalignment, runout, manufacturing tolerances, compression hardening, and wear.

原則として、小断面のシールほど大断面のシールより
も高い初圧縮を受けるに相違ない。なぜかならば一定の
不整列度、動的振れ、公差、摩耗などはシール断面サイ
ズが小さい程その高いパーセントに対応するからであ
る。現在のシール設計の圧縮限界の故に、製造可能な最
小限有効シール断面サイズに対して対応の制限が加えら
れる。
In principle, smaller cross-section seals must undergo higher initial compression than larger cross-section seals. This is because a certain degree of misalignment, dynamic runout, tolerance, wear, etc., corresponds to a higher percentage as the seal cross section size is smaller. Due to the compression limits of current seal designs, there are corresponding limitations on the minimum effective seal cross-sectional size that can be manufactured.

有限要素分析の結果をまとめれば、シールが放射方向
圧縮を受けた際に発生する無圧シールの捻り作用は、排
除縁の所望のかき落とし作用を損ない、シールの汚染物
質側のシール/軸界面の中に望ましくない動圧作用を導
入し、研摩性物質をこのシール界面の中にポンプ輸送す
る。このような研磨性物質の存在と潤滑剤の排出作用の
減退によるシールの摩損がシールの作動寿命を制限す
る。
Summarizing the results of the finite element analysis, the torsional action of the pressureless seal, which occurs when the seal is subjected to radial compression, impairs the desired scraping action of the exclusion edge and reduces the seal / shaft interface on the contaminant side of the seal. An undesirable dynamic pressure action is introduced therein to pump the abrasive material into this sealing interface. The wear of the seal due to the presence of such abrasives and the diminished lubrication drainage limits the operating life of the seal.

排除縁の持ち上がり傾向は圧下シールには存在しな
い。なぜかならば潤滑剤圧はシールをパッキン押さえの
反対側壁体に対して押圧し、この壁体がシールを再配向
しまた排除縁を軸に向かって押圧するからである。圧下
シールは無圧シール中の捻れ作用を受けないが、いずれ
のシールも高い圧縮レベルにおいては極端なゆがみを受
け、動圧作用の禁止を伴う。現在得られるよりも高い圧
縮レベルが望ましいであろう。
There is no lifting tendency of the exclusion edge in the reduction seal. This is because the lubricant pressure presses the seal against the side wall opposite the packing gland, which reorients the seal and presses the reject edge toward the axis. The rolling seals are not subject to the torsional action during the pressureless seal, but both seals are severely distorted at high compression levels, with a ban on dynamic pressure action. Higher compression levels than currently available would be desirable.

低い流体圧条件と高い機械的圧縮のもとに作動する通
常の動圧シールの現地試験は、比較的短時間後に過度の
摩損を示しており、これらのシールは、第18図に図示の
ようにシールの排除縁が軸の密封面から持ち上がって研
摩性物質をその下を通って進入させるほどに機械的圧縮
のもとにゆがみまた捻られると思われる。
Field tests of normal hydrodynamic seals operating under low fluid pressure conditions and high mechanical compression have shown excessive wear after a relatively short period of time, and these seals are shown in FIG. It is believed that the displaced edge of the seal is now distorted under mechanical compression enough to lift up from the sealing surface of the shaft and allow abrasive material to enter therebelow.

潤滑剤圧が汚染物質環境の圧力と相違する用途に現在
の動圧軸シールが使用される場合、この差圧が(前述の
ように)シールをパッキン押さえの一方の壁体に当接保
持し、動圧リップの排除縁を真円形状に保持し、排除縁
の位置の軸方向変動を防止する。潤滑剤と環境が同一圧
にある場合にはこのようにはならない。シールのエラス
トマーとシールグルーブとの熱膨張差に対応するためシ
ールグルーブの軸方向幅は当然にエラストマーシールの
圧縮された幅より大であり、シールはパッキン押さえの
限界内において軸方向位置を前後に変動させる。このよ
うな効果をパッキン押さえ中の「蛇行」と呼ぶ。この蛇
行はシールの排除ゼオメトリーを軸の回転速度に対して
曲げる効果を有するので、軸の回転速度によって環境汚
染物質が排除ゼオメトリーに衝突しその摩損を生じる。
従ってシールのパッキン押さえ中の蛇行が防止されるな
らば、無圧用途においてシールの最終寿命が改善される
であろう。
If the current hydrodynamic shaft seal is used in applications where the lubricant pressure is different from the pressure in the contaminant environment, this differential pressure will hold the seal against one wall of the gland (as described above). In addition, the exclusion edge of the dynamic pressure lip is maintained in a perfect circular shape to prevent the position of the exclusion edge from fluctuating in the axial direction. This is not the case if the lubricant and the environment are at the same pressure. The axial width of the seal groove is naturally larger than the compressed width of the elastomer seal to accommodate the thermal expansion difference between the seal elastomer and the seal groove, and the seal moves forward and backward within the limit of the gasket. Fluctuate. Such an effect is referred to as “meandering” during packing holding. This meandering has the effect of bending the seal's displacement zeometry against the rotational speed of the shaft, such that the rotational speed of the shaft causes environmental pollutants to impinge on the exclusion zeometry and cause its wear.
Thus, if meandering during seal packing is prevented, the ultimate life of the seal will be improved in pressureless applications.

また現在の動圧軸シールの最終寿命は、高温における
エラストマーの圧縮硬化(永久変形)によって制限され
る。このような圧縮硬化の多くは、シールの長方形本体
全体ではなくシールの内側部分の動圧リップにおいて生
じる事が観察された。このような現象の理由は2つあ
る。第1にリップは自己発生熱の発生地点にある。すな
わち密封界面における潤滑剤の剪断箇所にある。第2に
リップはシールの本体よりはるかに小さいので、リップ
は合成の不均衡の故にシール本体よりも多く圧縮され
る。従って圧縮が突出リップの中に集中されるのでなく
シールの本体にそって均等に分布されるのならシールの
圧縮硬化抵抗が改善されるであろう。
Also, the ultimate life of current dynamic pressure shaft seals is limited by the compression set (permanent deformation) of the elastomer at high temperatures. It has been observed that much of this compression hardening occurs in the dynamic pressure lip of the inner portion of the seal, rather than the entire rectangular body of the seal. There are two reasons for this phenomenon. First, the lip is at the point of self-generated heat. That is, at the shearing point of the lubricant at the sealed interface. Second, because the lip is much smaller than the body of the seal, the lip compresses more than the seal body due to a synthetic imbalance. Thus, if the compression is distributed evenly along the body of the seal rather than being concentrated in the protruding lip, the compression set resistance of the seal will be improved.

発明の概要 本発明は、厳しい摩損環境において潤滑剤圧を受けた
状態においても受けない状態においても作動する汎用動
圧回転軸シールに関する前記のような問題点を解決した
動圧絞りパッキン型回転軸シールに関するものである。
本発明のシールは動圧シール界面の動圧潤滑のためにこ
の動圧シール界面の油圧側に軸方向に変動する断面形状
を有し、また汚染物質の排除の目的から動圧密封界面の
環境側にまっすぐな急角度の軸方向に変動しない隅部の
排除形状を有する。さらに詳しくは、本発明の動圧シー
ルは米国特許第4,610,319号のもとにテキサス、シュガ
ーランドのカルシ・エンジニアリング・インコーポレイ
テッドから製造販売されている市販の動圧回転軸シール
に関連する。本発明によれば、高圧潤滑剤保持型密封と
両立する断面ゼオメトリーを構築するた、シールの動圧
区域にそって作用する潤滑剤圧力に対する機械的支持を
成すように、本発明の動圧シールはその排除縁を断面ゼ
オメトリーの一端に配置されている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a hydrodynamic throttle packing type rotary shaft which solves the above-described problems with respect to a general-purpose dynamic pressure rotary shaft seal which operates in a severe wear environment even in a state of receiving or not receiving a lubricant pressure. It is about a seal.
The seal of the present invention has an axially varying cross-sectional shape on the hydraulic side of the dynamic pressure seal interface for dynamic pressure lubrication of the dynamic pressure seal interface, and the environment of the dynamic pressure seal interface for the purpose of eliminating pollutants. It has a steep, axially stable corner exclusion that is straight to the side. More specifically, the dynamic pressure seal of the present invention relates to a commercially available dynamic rotary shaft seal manufactured and sold by Calci Engineering, Inc. of Sugarland, Texas under U.S. Patent No. 4,610,319. According to the present invention, the dynamic pressure seal of the present invention is provided to provide mechanical support for lubricant pressure acting along the dynamic pressure area of the seal to establish a cross-sectional zeometry compatible with the high pressure lubricant retaining seal. Has its exclusion edge located at one end of the cross-sectional zeometry.

また本発明は、特に前記の汎用動圧シールが特に非圧
または低圧潤滑剤保持構造において使用される場合にそ
の性能を劇的に改善させる。このような改良は現在見ら
れるような排除リップの持ち上がり傾向を除去する事に
よって実施される。排除リップの性能のこのような改良
の結果、シールが研摩性環境の中で使用される際にその
寿命を実質的に増大させる。排除性能の改良により、パ
ッキン押さえの中でのシールのスピニングを誘導する激
しいトルク変動を受ける事が少なくなる。この改良型シ
ールが浮動ピストン構造の中に取り付けられれば、ピス
トンの孔の中でのスピニング傾向を低下させる。
The present invention also dramatically improves the performance of the universal hydrostatic seals described above, especially when used in non-pressure or low pressure lubricant retaining structures. Such an improvement is implemented by eliminating the tendency of the reject lip to lift as is presently seen. Such an improvement in the performance of the reject lip results in a substantial increase in the life of the seal when used in an abrasive environment. Improved rejection performance reduces the chances of severe torque fluctuations that would induce spinning of the seal in the gland. If this improved seal is mounted in a floating piston structure, it reduces the tendency of the piston to spin in the bore.

また本発明はシール動圧潤滑特性を損なう事なく初圧
縮レベルをできるだけ高くすることによってシールの寿
命を増大する。このような追加的圧縮は、シールの圧縮
硬化、摩損、機械的不整列、動的振れおよび製造公差の
影響をはるかに受けにくくする。
The present invention also extends the life of the seal by increasing the initial compression level as much as possible without compromising the seal dynamic pressure lubrication characteristics. Such additional compression makes the seal far less susceptible to compression hardening, wear, mechanical misalignment, dynamic runout and manufacturing tolerances.

また本発明は動圧潤滑剤導入ゼオメトリーの近くの界
面接触圧を低下させ、これは低速において動圧潤滑をさ
らに完全な効果的なものとする。
The present invention also reduces the interfacial contact pressure near dynamic pressure lubrication zeometry, which makes dynamic pressure lubrication more fully effective at low speeds.

また本発明はシールのより大きな部分にそって圧縮を
再分配する事により、シールの圧縮硬化傾向をある程度
改良する。
The present invention also improves the compression hardening tendency of the seal to some extent by redistributing the compression along a larger portion of the seal.

また本発明は非動圧密封界面に簡単なコンパクトな突
出密封ゼオメトリーを備える事によって前記のすべての
利点を達成する。このようなゼオメトリー密封断面の対
応の捻れを生じる異なく圧縮荷重に対する反作用を生じ
る。本発明の改良型シールは現存の金型から、わずかの
工具変更によって製造する事ができる。また本発明のシ
ールは製造される部品あたり小量の材料を必要とし、既
存の汎用動圧シールと同一のパッキン押さえの中に嵌合
され、従って、レトロフィットに際して現存の装置を変
更する必要がない。
The present invention also achieves all of the above advantages by providing a simple, compact, protruding sealing zeometry at the non-dynamic pressure sealing interface. The reaction to the compressive load occurs without any difference, which results in a corresponding torsion of the zeometric sealing section. The improved seal of the present invention can be manufactured from existing molds with minor tool changes. Also, the seal of the present invention requires a small amount of material per part to be manufactured and is fitted in the same gland as the existing universal hydrodynamic seal, thus requiring retrofitting to change existing equipment. Absent.

本発明は動圧突出界面ゼオメトリーを実質的に複写し
その鏡像を成すような静圧突出界面ゼオメトリーと隣接
部分の断面ゼオメトリーを有する動圧回転シールを提供
するにある。このような構造においては、動圧シールの
全体断面形状が対称形に近くなり、これは圧縮中の捻れ
傾向を著しく低下させる。静圧界面に対して圧縮によっ
て生じる断面ゆがみが動圧界面における圧縮によるゆが
みとほぼ同一になるからである。この対称的シール構造
は、シールがパッキン押さえの中で放射方向圧縮力を受
けた時にシールの捻れを生じる傾向がない。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a hydrodynamic rotary seal having a hydrostatically projecting interfacial zeometry that substantially duplicates and mirrors the hydrodynamically projecting interfacial zeometry and a cross-sectional zeometry of adjacent portions. In such a configuration, the overall cross-sectional shape of the dynamic pressure seal becomes closer to symmetrical, which significantly reduces the tendency to twist during compression. This is because the cross-sectional distortion caused by the compression with respect to the static pressure interface becomes almost the same as the distortion due to the compression at the dynamic pressure interface. This symmetrical seal configuration is not prone to twisting of the seal when the seal is subjected to radial compressive forces in the gland.

標準型の汎用動圧シールと、本発明による静圧突出界
面ゼオメトリーを有する動圧シールとを実験室の中で、
研摩性掘削泥水環境中で15psiの潤滑剤圧を保持してテ
ストした。これらのシールは同一軸の表面の別々の部分
で、同一の振れ、同一のパッキン押さえおよび同一の温
度条件および速度条件においてテストされた。標準型汎
用シールのテストはこの明細書の「問題点の開示」部分
に詳細に記載されている。簡単に言えば、汎用シールを
約24時間ごとに検査のために分解し、次に洗滌して再び
組み立てた。このシールは110時間でグルーブの形の研
摩性摩損を示し、約160時間でトルクの劇的な増大と、
これに伴う潤滑剤漏れの減少が見られた。これに対して
本発明の静圧突出リップを有するシールは毎日界面洗滌
する必要なく、144時間で分解されたが摩損はまったく
なかった。508時間後にテストを終了し、シールと軸を
慎重に検査した。シールも軸の摩損の兆候がなかった。
トルクはテスト中低く定常であった。このテストは、本
発明の動圧シールが標準型の汎用動圧シールよりもはる
かに優れた性能を示す事を確認した。
In a laboratory, a standard general-purpose dynamic pressure seal and a dynamic pressure seal having a static pressure protruding interface zeometry according to the present invention are provided.
The test was carried out in an abrasive drilling mud environment while maintaining a lubricant pressure of 15 psi. These seals were tested on separate parts of the same coaxial surface under the same run-out, the same gland and the same temperature and speed conditions. The test of the standard universal seal is described in detail in the "Problem Disclosure" section of this specification. Briefly, the universal seal was disassembled for inspection approximately every 24 hours, then washed and reassembled. This seal shows abrasive wear in the form of a groove at 110 hours, a dramatic increase in torque in about 160 hours,
As a result, a decrease in lubricant leakage was observed. In contrast, the seal with the hydrostatic lip of the present invention did not require daily interfacial cleaning and was disassembled in 144 hours without any abrasion. After 508 hours, the test was terminated and the seal and shaft were carefully inspected. The seal also had no signs of shaft wear.
The torque was low and steady during the test. This test confirmed that the dynamic pressure seal of the present invention performed much better than the standard general purpose dynamic pressure seal.

図面の簡単な説明 以下、本発明を図面に示す実施例について説明するが
本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments shown in the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.

付図において、 第1図は本発明による動圧回転軸シールを含むハウジ
ングと回転軸構造の部分断面図である。
In the accompanying drawings, FIG. 1 is a partial sectional view of a housing including a dynamic pressure rotary shaft seal and a rotary shaft structure according to the present invention.

第2図と第2A図は本発明のシールの好ましい実施態様
による動圧シールの部分的断面図であって、第2図はパ
ッキン押さえ中のシールの圧縮状態を示し、第2A図はこ
のシールの非圧縮状態を示す。
2 and 2A are partial cross-sectional views of a dynamic pressure seal according to a preferred embodiment of the seal of the present invention. FIG. 2 shows the compressed state of the seal during packing press, and FIG. 2A shows this seal. 3 shows the uncompressed state of

第3図は本発明の他の実施態様による動圧シールの部
分断面図である。
FIG. 3 is a partial sectional view of a dynamic pressure seal according to another embodiment of the present invention.

第4図は本発明による動圧シールをハウジング中のシ
ールグルーブの中に配置した構造を示す部分断面図であ
り、第4A図はこのシールの非圧縮状態を示す。
FIG. 4 is a partial sectional view showing a structure in which a dynamic pressure seal according to the present invention is disposed in a seal groove in a housing, and FIG. 4A shows an uncompressed state of the seal.

第5図は本発明のさらに他の実施態様の動圧シールの
部分断面図である。
FIG. 5 is a partial sectional view of a dynamic pressure seal according to still another embodiment of the present invention.

第6図は外側テーパ支持面を有するシールグルーブの
中に圧縮された本発明の動圧シールを示す他の実施態様
を示す部分断面図であり、第6A図はこのシールの非圧縮
状態を示す図である。
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the hydrodynamic seal of the present invention compressed in a seal groove having an outer tapered support surface, and FIG. 6A shows the seal in an uncompressed state. FIG.

第7図は本発明のシールを他のハウジングの中に配置
した圧縮状態を示す部分断面図であり、第7A図はこのシ
ールの非圧縮状態を示す。
FIG. 7 is a partial sectional view showing a compressed state in which the seal of the present invention is arranged in another housing, and FIG. 7A shows an uncompressed state of the seal.

第8図は本発明のシールをさらに他のハウジングの中
に圧縮した状態を示す、第8A図はこのシールの非圧縮状
態を示す。
FIG. 8 shows the seal of the present invention compressed in yet another housing, and FIG. 8A shows the seal in an uncompressed state.

第9図は本発明のシールをさらに他のハウジングの中
に圧縮した状態を示す、第9A図はこのシールの非圧縮状
態を示す。
FIG. 9 shows the seal of the present invention compressed in yet another housing, and FIG. 9A shows the seal in an uncompressed state.

第10図は本発明のシールの他の実施態様の放射方向圧
縮された状態を示す図であり、第10A図はその非圧縮状
態を示す図。
FIG. 10 is a view showing a radially compressed state of another embodiment of the seal of the present invention, and FIG. 10A is a view showing its uncompressed state.

第11図は先行技術の代表的な動圧ドリルビットシール
を示す部分断面図である。
FIG. 11 is a partial sectional view showing a typical prior art dynamic pressure drill bit seal.

第12図は先行技術による汎用動圧シールを密封パッキ
ン押さえの中に圧縮状態に配置し回転軸に対して動圧密
封係合させた状態を示す部分断面図であり、また第12A
図はこのシールの非圧縮状態を示す図である。
FIG. 12 is a partial cross-sectional view showing a state in which a general-purpose dynamic pressure seal according to the prior art is placed in a compressed state in a sealing gasket and is engaged with the rotary shaft by dynamic pressure sealing, and FIG.
The figure shows a non-compressed state of this seal.

第13図は動圧シールの動圧クサビ作用およびポンピン
グ作用を示す展開図である。
FIG. 13 is a developed view showing a dynamic pressure wedge action and a pumping action of the dynamic pressure seal.

第14図は汚染物質側から研摩性物質の進入によって摩
損パタンを示す先行技術の動圧シールの部分断面図であ
る。
FIG. 14 is a partial cross-sectional view of a prior art dynamic pressure seal showing an abrasion pattern due to entry of an abrasive from the contaminant side.

第15図、第16図および第17図は先行技術の動圧シール
の有限要素分析図であって、非圧縮状態を破線で示し放
射方向圧縮状態を実線で示す図である。
FIGS. 15, 16 and 17 are finite element analysis diagrams of the prior art dynamic pressure seal, in which the uncompressed state is indicated by a broken line and the radially compressed state is indicated by a solid line.

第18図は低圧差のもとに放射方向圧縮に感応して傾斜
しまたは捻れて回転軸から持ち上がったシールの排除縁
を示す部分断面図である。
FIG. 18 is a partial cross-sectional view showing the exclusion edge of the seal tilted or twisted and lifted from the rotating shaft in response to radial compression under a low pressure differential.

第19図は本発明の他の実施態様による動圧シールの断
面図図である。
FIG. 19 is a sectional view of a dynamic pressure seal according to another embodiment of the present invention.

第20図は本発明の他の実施態様による動圧シールの部
分断面図であって非圧縮状態を示す図である。
FIG. 20 is a partial sectional view of a dynamic pressure seal according to another embodiment of the present invention, showing a non-compressed state.

第20A図は第20図のシールをシールグルーブの中に配
置し回転軸とグルーブ壁体との間に放射方向圧縮力を加
えた状態を示す部分断面図である。
FIG. 20A is a partial cross-sectional view showing a state where the seal of FIG. 20 is disposed in a seal groove and a radial compressive force is applied between a rotating shaft and a groove wall.

好ましい実施態様の詳細な説明 第1図、第2図および第2A図について述べれば、動圧
潤滑回転軸組立体全体を10で示し、この組立体10はハウ
ジング12を含み、このハウジング12から回転軸14が延在
する。ハウジングは内側シールグルーブ、シートまたは
パッキン押さえ16を画成し、このグルーブ16の中に動圧
回転軸シール18が配置され、このシール18は本発明の原
理に従って構成されまた第2図と第2A図に詳細に図示さ
れている。第2A図に図示のシール構造は本発明の改良型
動圧回転軸シールの放射方向に圧縮されていない断面形
状を示し、これに対して第2図は、シールグルーブの中
に配置されて回転軸とこのシールグルーブの放射方向外
側壁体との間に放射方向に圧縮されたシールの断面形状
を示す。第2図と第2A図の放射方向断面は、動圧密封界
面の平均界面接触幅を代表しまた米国特許第4,610,319
号に記載の潤滑クサビ作用を生じるゼオメトリーの波高
の中点に対応する周方向位置において取られている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to FIGS. 1, 2 and 2A, an entire hydrodynamic lubricating rotary shaft assembly is shown at 10 which includes a housing 12 from which the rotary A shaft 14 extends. The housing defines an inner seal groove, sheet or packing gland 16 in which a hydrodynamic rotary seal 18 is disposed, which seal 18 is constructed in accordance with the principles of the present invention and is shown in FIGS. 2 and 2A. This is illustrated in detail in the figure. 2A shows the radially uncompressed cross-sectional shape of the improved dynamic pressure rotary shaft seal of the present invention, whereas FIG. 2 shows the rotary structure disposed in a seal groove and rotating. 2 shows the cross-sectional shape of a radially compressed seal between a shaft and a radially outer wall of the seal groove. The radial cross-sections in FIGS. 2 and 2A are representative of the average interfacial contact width of the hydrostatically sealed interface and are disclosed in US Pat. No. 4,610,319.
This is taken at a circumferential position corresponding to the midpoint of the wave height of the zeometry which produces the lubricating wedge effect described in the above item.

全体配向の見地から、潤滑剤に向かって配向されたシ
ール末端は面20である。この面20は、本発明の主旨の範
囲内において図示の平坦面と相違する事ができる。激し
い摩耗乃至汚染環境22に向かって配向されたシールの末
端は面24である。この面も本発明の主旨の範囲内におい
て図示の平坦面と相違する事ができる。
From a global orientation point of view, the seal end oriented toward the lubricant is face 20. This surface 20 can differ from the illustrated flat surface within the spirit of the invention. The end of the seal, which is oriented towards a severely worn or contaminated environment 22, is a face 24. This surface can also differ from the illustrated flat surface within the spirit of the invention.

本発明によれば、円形動圧密封要素18が円形シートま
たはシートグルーブ16の中に配置され、回転軸14の相対
回転面28に対して圧縮される。シールが円形シールグル
ーブまたはシールシートの中に設置される際に、円形の
放射方向に突出した静圧密封リップまたは突起(静圧周
シール被圧縮部)30が対向面32に対して圧縮される。円
形密封要素18の内周面に、内周突起(動圧周シール突
起)34が備えられ、この突起34は動圧密封面36を画成
し、この動圧面36は、軸14の通常は円形の密封面を成す
相対回転対向面28に対して圧縮されている。静圧密封チ
ップ(静圧周シール被圧縮部)30と対向面32との間にま
た動圧密封リップ(動圧周シール突起)34と回転軸の相
対回転対向面28との間の静的密封面において液密密封を
保持するのに十分な放射方向圧力をもって動圧密封要素
18が保持される。シールの潤滑性チャンバ38中の潤滑剤
を環境22の汚染流体から分離し潤滑剤と環境中の汚染物
質との混合を防止するため、動圧シールが使用される。
公知の掘削工業において、汚染流体は「掘削泥水」と呼
ばれる掘削流体であって、これは流体ビヒクルの中に高
度に研摩性の粒状物質を含有している。
According to the invention, a circular dynamic pressure sealing element 18 is arranged in a circular sheet or sheet groove 16 and is compressed against a relative rotational surface 28 of the rotating shaft 14. When the seal is installed in a circular seal groove or seal sheet, a circular radially protruding hydrostatic sealing lip or protrusion (hydrostatic circumferential seal compressed portion) 30 is compressed against the opposing surface 32. . The inner peripheral surface of the circular sealing element 18 is provided with an inner peripheral projection (dynamic pressure peripheral sealing projection) 34, which defines a dynamic pressure sealing surface 36, which is a generally circular shape of the shaft 14. Is compressed against the relative rotation opposing surface 28 which forms a sealing surface of. Static between the static pressure sealing tip (hydrostatic circumferential seal compressed part) 30 and the opposing surface 32 and between the dynamic pressure sealing lip (dynamic pressure peripheral seal projection) 34 and the relative rotation opposing surface 28 of the rotating shaft Hydrodynamic sealing element with a radial pressure sufficient to maintain a liquid-tight seal at the sealing surface
18 is retained. A dynamic pressure seal is used to separate the lubricant in the seal lubricity chamber 38 from the contaminant fluid of the environment 22 and prevent mixing of the lubricant with the contaminants in the environment.
In the known drilling industry, the contaminated fluid is a drilling fluid called "drilling mud", which contains highly abrasive particulate matter in a fluid vehicle.

リング状動圧密封要素は、エラストマーまたはゴム様
密封材料および各種のポリマー密封材料を含む適当な密
封材料のいずれかで構成される。
The ring dynamic pressure sealing element is constructed of any suitable sealing material, including elastomeric or rubber-like sealing materials and various polymeric sealing materials.

内側放射方向突起(動圧周シール突起)34と外側放射
方向突起(静圧周シール被圧縮部)30はそれぞれテーパ
面40および42を成し、これらのテーパ面はそれぞれシー
ルの潤滑側に対向し、またテーパ面40は非円形である
が、テーパ面42は円形である。これらのテーパ面40と42
は、それぞれ軸14およびグルーブ面に徐々に集中する曲
率半径部分を有する。テーパ面40と内側円筒形動圧密封
面36は曲率半径部分44によって接合している。またテー
パ面40は円筒面46に対して鋭角の交点48において交わっ
ている。テーパ面40と曲率半径部分44は動圧密封面の潤
滑剤側において徐々に集中する形状を成し、これが米国
特許第4,610,319号に記載のように動圧密封面において
潤滑剤フィルムの動圧泳動を生じる。テーパ面40のゼオ
メトリーは本発明の主旨の範囲内において、動圧密封リ
ップまたは突起の潤滑剤側において徐々に集中する形状
を生じる多くの適当な形状のいずれかとする事ができ
る。この徐々に集中する形状は、潤滑剤とシールとの間
において相対回転運動が生じる際に潤滑剤膜を動圧密封
界面の中に動圧的にクサビ作用で押し込むようにシール
内周面の任意の位置に配置される。
The inner radial projection (dynamic pressure peripheral seal projection) 34 and the outer radial projection (static pressure peripheral seal compressed part) 30 form tapered surfaces 40 and 42, respectively, which are respectively opposed to the lubrication side of the seal. The tapered surface 40 is non-circular, while the tapered surface 42 is circular. These tapered surfaces 40 and 42
Has a radius of curvature that gradually concentrates on the shaft 14 and the groove surface, respectively. The tapered surface 40 and the inner cylindrical dynamic pressure sealing surface 36 are joined by a radius of curvature portion 44. The tapered surface 40 intersects at an intersection 48 at an acute angle to the cylindrical surface 46. The tapered surface 40 and radius of curvature portion 44 form a shape that is gradually concentrated on the lubricant side of the hydrodynamic sealing surface, which causes hydrodynamic migration of the lubricant film at the hydrodynamic sealing surface as described in U.S. Pat.No. 4,610,319. . The zeometry of the tapered surface 40 can be any of a number of suitable shapes that, within the spirit of the present invention, result in a gradually concentrated shape on the lubricant side of the hydrodynamic sealing lip or projection. This gradually converging shape allows the lubricant film to be pressed into the dynamic pressure sealing interface by a wedge effect in a dynamic manner, so that when a relative rotational motion occurs between the lubricant and the seal, the seal inner peripheral surface is formed at an arbitrary position. It is arranged at the position.

円形隅部または排除縁50は、軸とシールとの相対回転
運動に対応して環境と動圧作用を生じる事なく軸とシー
ルとの軸方向の相対運動が生じた場合において回転軸か
ら汚染物をかき落とすように作用する急激な縁ゼオメト
リーを示す。従ってこのシールはシールの汚染側に存在
する研摩性物質を動圧密封界面に入らないように排除す
る。
The circular corners or exclusion rims 50 are used to remove contaminants from the rotating shaft in the event of axial relative movement of the shaft and seal without corresponding environmental and dynamic pressure effects corresponding to the relative rotational movement of the shaft and seal. Figure 4 shows a sharp edge zeometry that acts to scrape off. The seal thus eliminates abrasive substances present on the contaminated side of the seal from entering the hydrodynamic interface.

図示の第2図および第2A図の本発明よる構造は、静圧
密封面と動圧密封面との間に作用する潤滑剤圧力の静圧
作用を受けた時に密封材料の押出しおよびその他の破損
を生じないようにパッキン押さえ壁52によって支持され
るようにシール18の排除縁50と環境側面24とを配置し形
成した通常の型の汎用動圧回転軸シールに関するもので
ある。
The structure according to the invention shown in FIGS. 2 and 2A causes the sealing material to extrude and other breaks when subjected to the hydrostatic action of the lubricant pressure acting between the hydrostatic and hydrostatic sealing faces. The present invention relates to a general-purpose general-purpose dynamic pressure rotary shaft seal formed by arranging and forming the exclusion edge 50 of the seal 18 and the environmental side surface 24 so as not to be supported by the packing holding wall 52.

急激な排除隅部50と傾斜して徐々に集中するゼオメト
リーのテーパ面40と曲率半径部分44とを組合せる事によ
り、シールの環境側面末端24においてシール18の本体か
ら放射方向内側に突出したリップ(動圧周シール突起)
34を形成する事ができる。この突出リップ(動圧周シー
ル突起)34が圧縮されて、軸14の相対回転対向面28と共
に動圧密封面を成す。
The lip protrudes radially inward from the body of the seal 18 at the environmental side end 24 by combining the abrupt exclusion corner 50 with the tapered surface 40 of the zeometry, which is inclined and gradually concentrated, and the radius of curvature 44. (Dynamic pressure circumferential seal projection)
34 can be formed. The protruding lip (dynamic pressure peripheral seal projection) 34 is compressed to form a dynamic pressure sealing surface together with the relative rotation facing surface 28 of the shaft 14.

本発明の好ましい実施態様のゼオメトリーのフィーチ
ャは、シール断面の環境側末端24においてシール18の本
体から放射方向外側に突出した静圧密封リップ(静圧周
シール被圧縮部)30である。この密封リップ(静圧周シ
ール被圧縮部)30は圧縮された時に、円形シールグルー
ブの対向面32と協働する静的密封面を成す。
A zeometric feature of the preferred embodiment of the present invention is a hydrostatic sealing lip 30 that protrudes radially outward from the body of the seal 18 at the environmental end 24 of the seal cross section. This sealing lip (statically compressed peripheral seal compressed portion) 30 forms a static sealing surface which, when compressed, cooperates with the facing surface 32 of the circular seal groove.

第2図と第2A図に図示の好ましい実施態様において、
静圧密封リップ(静圧周シール被圧縮部)30は前記の動
圧リップ(動圧周シール突起)34の断面形状とほぼ同等
の断面形状を有するが、静圧密封リップ(静圧周シール
被圧縮部)30の突出高さ54は動圧リップ(動圧周シール
突起)34の突出高さ56より少し小である。(静圧密封リ
ップ30の幅は、与えられた環境条件において動圧リップ
の幅の変動と対応するように変動させる事ができる)理
想的には、静圧リップの突出高さ54はシールの名目放射
方向圧縮度の1/2またはこれ以下とし、また動圧リップ
(動圧周シール突起)34の突出高さ56はシールの名目放
射方向圧縮度の1/2より大とする。
In the preferred embodiment shown in FIGS. 2 and 2A,
The hydrostatic sealing lip (compressed portion of the hydrostatic circumferential seal) 30 has a cross-sectional shape substantially similar to the cross-sectional shape of the dynamic pressure lip (hydrodynamic circumferential seal projection) 34, The protruding height 54 of the compressed portion 30 is slightly smaller than the protruding height 56 of the dynamic pressure lip (dynamic pressure peripheral seal projection) 34. (The width of the hydrostatic sealing lip 30 can be varied to correspond to variations in the width of the dynamic pressure lip under given environmental conditions.) Ideally, the protrusion height 54 of the hydrostatic lip is The projection is 56 or less than the nominal radial compression, and the projection height 56 of the dynamic pressure lip (dynamic pressure peripheral seal projection) 34 is greater than 1/2 of the nominal radial compression of the seal.

静圧リップ30の突出高さ54が第2図に図示のようにシ
ールの放射方向圧縮度の1/2またはこれ以下であるの
で、円形隅部58から60までの密封面の全部またはほとん
ど全部がシールの圧縮に際してシールグルーブの対向面
32と直接に接触させられる。円筒隅部58の近くでシール
とシールグルーブとが密接に近接しまた/あるいは接触
しているので、シール内部におけるシールの時計方向捻
り作用に対する安定性を与える。この場合捻り作用とは
第2図について見られる作用である。一時的な圧力変
動、またはシールの排除縁50が軸方向に移動する軸から
汚染物を急速にかき落とす必要がある場合など、シール
の環境側末端24に対して静圧応力まは動圧応力が加えら
れる際にこのようなシール安定性が非常に重要である。
Since the protruding height 54 of the hydrostatic lip 30 is less than or equal to 1/2 of the radial compressibility of the seal as shown in FIG. 2, all or almost all of the sealing surface from the circular corners 58 to 60 is provided. Faces the seal groove when the seal is compressed.
Contacted directly with 32. The close proximity and / or contact of the seal and seal groove near the cylindrical corner 58 provides stability against clockwise twisting of the seal inside the seal. In this case, the twisting action is the action seen in FIG. Static or dynamic stresses on the environmental end 24 of the seal, such as during temporary pressure fluctuations or when the contaminant edge 50 of the seal needs to quickly scrape contaminants off the axis that moves axially Such seal stability is very important when the seal is added.

動圧リップ(動圧周シール突起)34の突出高さが好ま
しくはシールの名目圧縮度の半分より大であって、内側
円形隅部62の近くの密封面が軸14の相対回転対向面28と
接触させられないので、48から44までの傾斜した動圧導
入部が軸14の対向面に対して過度に平坦に圧接する事な
く、従って動圧ゼオメトリーの大きなゆがみによって動
圧密封界面の中への潤滑剤の所望の動圧クサビ作用押し
込みが妨げられない。これは、本発明による突出静圧リ
ップを有する動圧シールが通常の動圧シールよりも高い
レベルの圧縮度を受ける事を意味する。本発明によるリ
ップの圧縮レベルが高いので、このシールはそれだけ大
きな機械的不整合、動的振れ、圧縮硬化、摩耗に耐える
事ができ、またより大きな機械的公差を可能とし、また
小さい断面形状シールの実現を可能とする。
The protrusion height of the dynamic pressure lip (dynamic pressure seal projection) 34 is preferably greater than half the nominal degree of compression of the seal, and the sealing surface near the inner circular corner 62 is the relative rotational facing surface 28 of the shaft 14. , The inclined hydrodynamic inlets from 48 to 44 do not press too flat against the opposing surface of the shaft 14, and therefore the large deformation of the hydrodynamic zeometry causes The desired dynamic pressure wedge action intrusion of the lubricant into the lubricant is not impeded. This means that a hydrostatic seal with a protruding hydrostatic lip according to the invention experiences a higher level of compression than a conventional hydrostatic seal. Due to the high compression level of the lip according to the invention, this seal can withstand greater mechanical misalignment, dynamic run-out, compression hardening, abrasion, allows for greater mechanical tolerances, and has a smaller cross-section seal Is realized.

第2図と第2A図において、リップ(静圧周シール被圧
縮部)30の全体断面図形状はリップ(動圧周シール突
起)34の断面形状にほぼ等しく、従ってシールが圧縮さ
れた時に、これら両方のリップの界面接触輪郭と変形度
の大きさと位置がほぼ等しく、その結果グルーブの中に
おいてシールを過度に捻る傾向がなく、平衡状態が得ら
れる。
In FIGS. 2 and 2A, the overall cross-sectional shape of the lip (hydrostatic circumferential seal compressed portion) 30 is substantially equal to the cross-sectional shape of the lip (dynamic pressure circumferential seal projection) 34, and therefore, when the seal is compressed, The interface contact profile of both lips and the magnitude and location of the degree of deformation are approximately equal, so that there is no tendency to overtwist the seal in the groove and an equilibrium is obtained.

本発明においてはグルーブ内部におけるシールの捻り
傾向が実際上得除去されるので、鋭い縁50が軸14の対向
面から持ち上げられる傾向が除去される。これは、鋭い
縁50が軸14に対して確実に圧縮された状態に保持され、
そのかき落とし作用を実施する事ができるので、外部環
境からの汚染物が動圧密封界面の中に入らない事を意味
する。このような排除作用の改善とは、密封界面の中へ
の摩損性物質の進入を大幅に低減させ、従ってシールと
対応の軸面の摩耗が最小限に成される事を意味する。こ
のようにしてテストの示すようにシールの寿命が大幅に
延長され、また摩耗が存在しないのでシールの使用期間
中、回転トルクおよび動圧漏れレートが非常に均一に留
まる。軸摩耗が比較的低いと言う事は、通常の場合のよ
うに軸を頻繁に再塗装しまた研摩する必要がない事を意
味し、従って実質的なコスト節減となる。本発明によれ
ばシールトルクが安定しているので、シールと軸との摩
擦によるグルーブ中のシールのスピニングが最小限に成
され、その結果現在実施されているようなグリット吹き
付けなどのグルーブ処理がもはや不必要である。
The present invention virtually eliminates the tendency of the seal to twist within the groove, thereby eliminating the tendency for the sharp edge 50 to be lifted from the opposing surface of the shaft 14. This ensures that the sharp edge 50 is kept compressed against the shaft 14,
Since the scraping action can be performed, it means that contaminants from the external environment do not enter the dynamic pressure sealing interface. Such improved rejection means that the ingress of friable material into the sealing interface is greatly reduced, so that wear of the seal and the corresponding shaft surface is minimized. In this way, the life of the seal is greatly extended, as shown in the tests, and the rotational torque and the dynamic pressure leakage rate remain very uniform during the life of the seal, since there is no wear. Relatively low shaft wear means that the shaft does not need to be repainted and polished as often as in the normal case, thus resulting in substantial cost savings. According to the present invention, since the seal torque is stable, the spinning of the seal in the groove due to friction between the seal and the shaft is minimized, and as a result, the groove processing such as grit spraying currently performed is performed. It is no longer necessary.

グルーブ内部におけるシールの捻れ傾向を大幅に除去
する異により、徐々に集中する動圧導入ゼオメトリーの
近くにおいて動圧界面接触圧が低減される。この部分に
おいてシール材料はもはやシールの断面全体の大きな捻
り作用に対して反作用しないからである。この箇所にお
ける接触圧の減少の故に、低速においても動圧潤滑が完
全になり効率的になる。
The dynamic pressure interfacial contact pressure is reduced near the gradually concentrated dynamic pressure-introduced zeometry due to the significant elimination of the torsional tendency of the seal inside the groove. This is because at this point the seal material no longer counteracts the large torsional action of the entire cross section of the seal. Because of the reduced contact pressure at this point, dynamic pressure lubrication is complete and efficient even at low speeds.

1つの静圧リップと1つの動圧リップから成る2つの
対向リップを使用する事により、動圧リップの実際圧縮
度は現在使用されている型の汎用の動圧シールの場合よ
りも低下する。その結果、圧縮圧抵抗が改良される。な
ぜならば圧縮圧の大部分は、動圧密封界面において発生
する熱に近接した動圧リップにおいて生じるからであ
る。
By using two opposing lips, one hydrostatic lip and one hydrodynamic lip, the actual degree of compression of the hydrodynamic lip is lower than in the case of conventional dynamic pressure seals of the type currently used. As a result, the compression pressure resistance is improved. Because most of the compression pressure occurs at the dynamic pressure lip, which is close to the heat generated at the dynamic pressure sealing interface.

密封軸支式マッド・モータは現在ますます「熱い」孔
の中で使用されるようになっており、これらの孔はしば
しば動圧シールに使用されるエラストマーの作動温度限
界を越える。現在動圧シールに使用されているエラスト
マーは主として高い摩擦抵抗に基づいて選定され、代表
的には250゜F(120℃)乃至320゜F(160℃)の範囲の最
大作動温度範囲を有する。本発明の動圧シールには、こ
れより高い温度限界を有するが摩擦抵抗の低いフッ素エ
ラストマーなどのエラストマーを使用する事ができる。
これは研摩性物質を密封界面から排除する箇所における
捻り抵抗密封が優れているからである。
Sealed mud motors are now increasingly being used in "hot" holes, which often exceed the operating temperature limits of elastomers used in hydrodynamic seals. Elastomers currently used in dynamic pressure seals are selected primarily based on high frictional resistance and typically have a maximum operating temperature range of 250 ° F (120 ° C) to 320 ° F (160 ° C). An elastomer such as a fluoroelastomer having a higher temperature limit but lower friction resistance can be used for the dynamic pressure seal of the present invention.
This is due to the excellent torsional resistance sealing where the abrasive material is excluded from the sealing interface.

本発明はハウジングまたは軸のいずれかが回転部材で
あって回転軸がハウジングに対して密封される用途に適
用される。シールが放射方向に圧縮される場合、突出リ
ップはシール断面の外側面と内側面に配置する事がで
き、動圧リップはシールの内側面または外側面のいずれ
かに配置される。あるいは、シールが比較的平坦な回転
面に当接して軸方向に圧縮される場合には突起リップは
シール断面の両端に配置する事ができる。
The present invention is applied to an application in which either the housing or the shaft is a rotating member and the rotating shaft is sealed to the housing. If the seal is compressed radially, the protruding lips can be located on the outer and inner surfaces of the seal cross section, and the dynamic lip is located on either the inner or outer surface of the seal. Alternatively, the protruding lips can be located at both ends of the seal cross-section if the seal is axially compressed against a relatively flat rotating surface.

付図において動圧リップと静圧リップはシールの汚染
側末端まで完全に延在しているが、これは本発明の主旨
の範囲において絶対必要ではない。これらのリップが低
圧条件におけるシールの放射方向圧縮に際してグルーブ
内でシールの捻りを生じないように配置されていればよ
い。
In the figures, the dynamic pressure lip and the hydrostatic lip extend completely to the contaminated end of the seal, but this is not essential within the spirit of the invention. It is sufficient that these lips are arranged so as not to cause twisting of the seal in the groove upon radial compression of the seal under low pressure conditions.

第3図に図示の本発明の他の実施態様において、動圧
シール66は第2A図に図示のものと実質的に同等である
が、第2A図のシールの曲率半径を有する隅部64に対して
急角度の隅部68が使用されている。この急角度の隅部68
は、シールが変動圧力条件また/あるいは逆転圧力条件
のもとにシールがグルーブの中を前後に揺動させられる
際に、潤滑剤が静圧界面の中までポンプ輸送される事を
防止するための排除機能を示し、これによりグルーブ内
部のシールの捻れ傾向をさらに低下させる。
In another embodiment of the invention shown in FIG. 3, the dynamic pressure seal 66 is substantially equivalent to that shown in FIG. 2A, but with a corner 64 having the radius of curvature of the seal of FIG. 2A. Steep corners 68 are used. This steep corner 68
Is to prevent the lubricant from being pumped into the hydrostatic interface when the seal is swung back and forth in the groove under fluctuating and / or reverse pressure conditions. , Thereby further reducing the tendency of the seal inside the groove to twist.

弾性絞りパッキン型密封要素はそれ事態では不完全な
密封装置であって、そのパッキン押えグルーブの協働作
用なしでは密封作用を実施できない事は理解されよう。
従って動圧密封装置全体は、パッキン押さえグルーブと
弾性密封要素との組合せから成る。第4図と第4A図はそ
れぞれ本発明のシールの他の実施態様の圧縮状態と非圧
縮状態とを示す。第4図に図示のように、パッキン押さ
えグルーブ70は動圧密封要素76の静圧密封リップ(静圧
周シール被圧縮部)75と協働して、グルーブ70中のシー
ルの逆方向設定と軸方向運動を防止し、また非圧縮状態
においてグルーブ内部でのシールの蛇行運動を防止す
る。この構造において、静圧リップの放射方向突起高さ
72は第2図、第2A図および第3図に図示のものより実質
的に増大され、その結果この突出高さはシールの初圧縮
度の1/2より大であり、反対側の動圧リップ(動圧周シ
ール突起)の突出度に等しい。静圧リップ(静圧周シー
ル被圧縮部)75を受けてこれを放射方向圧縮度の約1/2
まで放射方向に圧縮するために対応のグルーブ74がパッ
キン押さえ70の中に形成されている。このようにして得
られる静圧リップ(静圧周シール被圧縮部)75の圧縮、
変形および変形形状は動圧リップ(動圧周シール突起)
のものと近似的に同一であるから、これら2つのリップ
の界面接触力輪郭の大きさと位置も相互に類似し、対称
的に対向し、その結果シールがパッキン押さえグルーブ
70の中で大きく捻れる傾向がなく、平衡状態が得られ
る。このような接触力輪郭の類似性は、静圧リップ(静
圧周シール被圧縮部)と動圧リップ(動圧周シール突
起)のそれぞれの突出高さゼオメトリーの類似性と非変
形ゼオメトリーが相互に類似する事によって増進され
る。
It will be appreciated that the resilient squeeze-type sealing element is an imperfect sealing device in that situation and cannot perform the sealing action without the cooperation of its packing gland.
Thus, the entire dynamic pressure sealing device consists of a combination of a packing gland and an elastic sealing element. FIGS. 4 and 4A show a compressed state and a non-compressed state of another embodiment of the seal of the present invention, respectively. As shown in FIG. 4, the gasket retaining groove 70 cooperates with the hydrostatic sealing lip 75 of the hydrodynamic sealing element 76 to set the seal in the groove 70 in the opposite direction. It prevents axial movement and also prevents meandering movement of the seal inside the groove in the uncompressed state. In this configuration, the radial projection height of the hydrostatic lip
72 is substantially increased from that shown in FIGS. 2, 2A and 3, so that this protrusion height is greater than half the initial compression of the seal and the opposite dynamic pressure It is equal to the degree of protrusion of the lip (dynamic pressure seal protrusion). Receives the hydrostatic lip (compressed part of the hydrostatic circumferential seal) 75 and reduces it to about 1/2 of the radial compression.
A corresponding groove 74 is formed in the packing gland 70 for radial compression up to that point. Compression of the static pressure lip (compressed portion of the static pressure circumferential seal) 75 thus obtained,
Deformation and deformed shape are dynamic pressure lip (dynamic pressure peripheral seal projection)
Approximately identical, the size and position of the interface contact force profile of these two lips are similar and symmetrically opposed, so that the seal is
Equilibrium is obtained without the tendency to twist significantly within 70. The similarity of the contact force profile is due to the similarity of the protruding height zeometry of the hydrostatic lip (compressed part of the hydrostatic peripheral seal) and the dynamic pressure lip (protrusion of the hydrodynamic peripheral seal) and the undeformed zeometry. Is enhanced by something similar to

シールの圧縮に際して、その後端部77がその円形隅部
78において密封接触して、外部荷重によるシールの時計
方向捻れを防止する。この場合、この円形隅部78は円筒
形支持面79と協働して捻れ防止反作用を成す。第4図の
シールが不注意に逆方向に設置されれば、このシールは
グルーブ70から大きく突出するので、軸の設定が極めて
困難になりまた物理的に不可能となる事により、この不
注意な設定について注意を引く。さらに静圧リップ(静
圧周シール被圧縮部)75のゼオメトリーと対応のグルー
ブのゼオメトリーが設置前に適正な配向について手がか
りを与える。適正に設置されれば静圧リップ(静圧周シ
ール被圧縮部)75は対応のシールグルーブ74のゼオメト
リーによって補足される。またシール76とグルーブ70の
対応ゼオメトリーは圧力の逆転に対してシールの軸方向
運動を拘束する。またシール76とシールグルーブ70の相
互に対応するゼオメトリーは、シールに対して横方向に
別々の圧力を加えなくてもシールをグルーブの中のシー
ルの蛇行を防止し、従って急角度の排除縁を拘束するの
で、この排除縁は軸の回転速度に対してゆがむ事なく、
この縁の摩損を生じる衝突を防止する。さらにこの相互
に対応するシール/シールグルーブのゼオメトリーはシ
ールの構造一体性を増進し従って他の動圧シールと比べ
てシールの放射方向圧縮度を増進する。
When compressing the seal, its rear end 77 is
A sealing contact is made at 78 to prevent clockwise twisting of the seal due to external loads. In this case, the circular corner 78 cooperates with the cylindrical support surface 79 to provide an anti-twist reaction. If the seal of FIG. 4 is inadvertently installed in the opposite direction, the seal will protrude significantly from the groove 70, making it extremely difficult and physically impossible to set the axis, thus resulting in this carelessness. Draw attention to the appropriate settings. In addition, the zeometry of the static pressure lip (statically compressed peripheral seal compressed area) 75 and the corresponding groove zeometry provide clues to proper orientation prior to installation. When properly installed, the static pressure lip (statically compressed peripheral seal compressed portion) 75 is supplemented by the zeometry of the corresponding seal groove 74. The corresponding zeometry of seal 76 and groove 70 also constrains the axial movement of the seal against reversal of pressure. The mutually compatible zeometry of the seal 76 and the seal groove 70 also prevents the seal from meandering in the groove without applying separate lateral pressure on the seal, thus eliminating steep edge exclusion. As it is constrained, this exclusion edge does not distort against the rotational speed of the shaft,
Collisions that cause this edge wear are prevented. In addition, this mutual seal / seal groove zeometry increases the structural integrity of the seal and thus the radial compressibility of the seal as compared to other hydrodynamic seals.

第5図は本発明の他の実施態様による動圧密封要素80
の放射方向断面図である。第5図に図示のシール構造
は、第2図、第2A図および第3図のシール構造のわずか
の変形である。静圧リップ(静圧周シール被圧縮部)82
はベベルを成すシールのテーパ部分である。この静圧リ
ップ(静圧周シール被圧縮部)82の突出高さはシールの
全放射方向圧縮度のほぼ半分に等しい。従って、静圧リ
ップ(静圧周シール被圧縮部)82の圧縮度は反対側動圧
リップ(動圧周シール突起)の圧縮度にほぼ等しく、ま
たこれら2つのリップの界面接触輪郭の大きさと場所は
相互に基本的に類似であって、対称的に対向し、その結
果シールがグルーブ内部で捻れる傾向が少ない。第2
図、第2A図および第3図の断面と比較して静圧リップ
(静圧周シール被圧縮部)と動圧リップ(動圧周シール
突起)のゼオメトリーの非類似性が大きいので、これら
のシールほど有効ではないが、なお第5図の形状は前記
の実施例と同程度の一般的利点を与える。
FIG. 5 shows a hydrodynamic sealing element 80 according to another embodiment of the present invention.
3 is a radial cross-sectional view of FIG. The seal structure shown in FIG. 5 is a slight modification of the seal structure of FIGS. 2, 2A and 3. Static pressure lip (Compressed part of static pressure circumferential seal) 82
Is a tapered portion of the seal forming a bevel. The protruding height of this static pressure lip (hydrostatic circumferential seal compressed portion) 82 is approximately equal to half the total radial compressibility of the seal. Therefore, the degree of compression of the static pressure lip (hydrostatic peripheral seal compressed portion) 82 is substantially equal to the degree of compression of the opposite dynamic pressure lip (dynamic pressure peripheral seal projection), and the size of the interface contact profile between these two lips The locations are basically similar to each other and are symmetrically opposed so that the seal has less tendency to twist within the groove. Second
Compared with the cross-sections of FIG. 2, FIG. 2A and FIG. 3, the dissimilarities in the zeometry of the hydrostatic lip (hydrostatic peripheral seal compressed portion) and the dynamic pressure lip (dynamic pressure peripheral seal projection) are large. Although not as effective as a seal, the shape of FIG. 5 still provides the same general advantages as the previous embodiment.

第6図乃至第10図について述べれば、動圧シールの制
御された放射方向圧縮はシールグルーブの内側面と動圧
シールの外側面との協働作用によって実施される。これ
らの各実施態様において、放射方向圧縮は静圧界面と動
圧界面の両方において実質的に対称的な変形を生じるの
でこの放射方向圧縮はグルーブ内部におけるシールの捻
れを誘発しない。
Referring to FIGS. 6-10, controlled radial compression of the hydrodynamic seal is effected by the cooperation of the inner surface of the seal groove and the outer surface of the hydrodynamic seal. In each of these embodiments, the radial compression does not induce a torsion of the seal within the groove, as the radial compression results in a substantially symmetric deformation at both the hydrostatic and the dynamic pressure interfaces.

特に第6図と第6A図について述べれば、これはそれぞ
れシールの圧縮状態と非圧縮状態を示し、ハウジング90
は、テーパ面または切頭円錐形放射面94を有する内部グ
ルーブ92を画成している。またシール96は、前記のテー
パ面94よりも急なテーパを有する放射方向外側テーパ面
98を画成する。シール96は非圧縮状態において、その放
射方向外側隅部100が前記グルーブ92の放射方向外側隅
部102と密接に係合するようにグルーブ92の中に嵌合す
る。従って回転軸104がこのシールの中に挿通された時
に、シールはその動圧突起(動圧周シール突起)106と
その放射方向反対側の部分とにおいて変形されシールの
実質的にに対称的な放射方向圧縮が生じ、その結果とし
て、相互に近似的に同等で対称的に配向する密封リップ
の面と対向面との間に界面接着力を生じる。このように
シールが圧縮された時、もはやシールはグルーブの中で
傾斜しまたは捻れる傾向がなく、従って排除縁108は軸1
04の円筒面に対して最適の汚染物質排除係合状態に留ま
る。第4図および第4A図の動圧シールは同様の理由から
増進された捻れ抵抗と汚染物排除特性とを示す。さらに
第6図に図示の圧縮状態において、シールの外側円形隅
部99はシールグルーブの支持面94と係合し、グルーブ内
でのシールの傾斜に対する支持構造を成す。面94のテー
パの故に、シールに対する放射方向圧縮力はこのシール
をシールグルーブの内側円形隅部102に向かって押圧
し、シールに対する別の圧力が加えられなくてもシール
の汚染物質側面を支持面103に対して強く着座させるの
で、急角度の排除縁108が軸の回転速度に対してゆがむ
事なく、またこの縁が摩耗性衝突を生じる事なく、シー
ルの寿命が延長される。
With particular reference to FIGS. 6 and 6A, which show the compressed and uncompressed states of the seal, respectively,
Defines an internal groove 92 having a tapered or frusto-conical radiating surface 94. Also, the seal 96 has a radially outward tapered surface having a steeper taper than the aforementioned tapered surface 94.
Define 98. In an uncompressed state, the seal 96 fits within the groove 92 such that its radially outer corner 100 closely engages the radially outer corner 102 of the groove 92. Thus, when the rotating shaft 104 is inserted through the seal, the seal is deformed at its dynamic pressure projection (dynamic pressure peripheral seal projection) 106 and its radially opposite portion and is substantially symmetrical to the seal. Radial compression occurs, resulting in an interfacial adhesion between the surface of the sealing lip and the opposing surface that are approximately equivalent and symmetrically oriented with respect to each other. When the seal is thus compressed, the seal no longer has a tendency to tilt or twist in the groove, so the reject rim 108 is
Optimal contaminant elimination engagement with the cylindrical surface of 04. 4 and 4A show enhanced torsional resistance and contaminant rejection properties for similar reasons. Further, in the compressed state shown in FIG. 6, the outer circular corner 99 of the seal engages the support surface 94 of the seal groove to provide a support structure for the inclination of the seal within the groove. Due to the taper of the surface 94, the radial compressive force on the seal pushes the seal toward the inner circular corner 102 of the seal groove, thus supporting the contaminant side of the seal with no additional pressure on the seal. Due to the strong seating against 103, the life of the seal is extended without the sharp exclusion edge 108 distorting against the rotational speed of the shaft and without causing this edge to wear out.

またシール96とシールグルーブ92との協働構造はグル
ーブ内部のシールの逆方向設置を防止する。シールの動
圧面を汚染物質側面に向けて逆方向に設置されれば、こ
のシールは放射方向に過度に圧縮されるので軸の設置が
困難または不可能となる。第4図および第4A図の動圧シ
ールも同様の理由から逆方向設置が困難または不可能で
ある。
Also, the cooperative structure of the seal 96 and the seal groove 92 prevents the seal inside the groove from being installed in the reverse direction. If the dynamic pressure side of the seal is installed in the opposite direction, facing the contaminant side, the seal will be over-compressed radially, making installation of the shaft difficult or impossible. The dynamic pressure seals of FIGS. 4 and 4A are also difficult or impossible to reversely install for similar reasons.

第7図と第7A図について述べれば、ハウジング構造13
0の内部グルーブ132は内側圧縮面134を画成し、この圧
縮面にはシール140の外側面部分138に対向するグルーブ
のリリーフ136が設けられている。この実施態様の理解
を助けるため、シール140は第7図においてその放射方
向圧縮状態を示し、第7A図において非圧縮状態を示す。
第7A図のシール形状は種々の形状に変形される汎用動圧
シールであって、シール圧縮面134はシールの動圧突起
(動圧周シール突起)142に対して放射方向対向位置に
配置され、またこの動圧突起142の面144の幅に実質的に
等しい幅を有する。このようにして回転軸146を設置し
てシール140を圧縮する際に、シールの放射方向外側静
圧部分と放射方向内側動圧部分142が実質的に対称的な
圧縮と変形を受ける。両側の界面接触力輪郭における対
称的放射方向圧縮とその結果としての対称性の故に、動
圧密封要素(動圧周シール突起)142は放射方向に圧縮
されても傾斜または捻り作用を受けない。従って、この
シールは、市販の動圧シールよりもはるかに大きい放射
方向圧縮を受ける事ができる。これらの動圧密封要素と
シールグルーブとの組合わせによって得られる動圧圧縮
能力の故に、シールの排除縁148は軸146の円筒形密封面
と有効に粒子排除係合状態に保持される。さらにシール
の放射方向変形に際して、シールの放射方向外側隅部13
9がシールグルーブの支持面141に接触して、グルーブ中
のシールの傾斜を防止するように支持する。
Referring to FIGS. 7 and 7A, the housing structure 13
The zero inner groove 132 defines an inner compression surface 134, which is provided with a groove relief 136 facing the outer surface portion 138 of the seal 140. To aid in understanding this embodiment, seal 140 is shown in its radially compressed state in FIG. 7 and in its uncompressed state in FIG. 7A.
The seal shape shown in FIG. 7A is a general-purpose dynamic pressure seal which is deformed into various shapes, and the seal compression surface 134 is disposed at a position radially opposed to the dynamic pressure projection (dynamic pressure seal projection) 142 of the seal. , And has a width substantially equal to the width of the surface 144 of the dynamic pressure projection 142. As such, when the rotating shaft 146 is installed to compress the seal 140, the radially outer static pressure portion and the radially inner dynamic pressure portion 142 of the seal undergo substantially symmetrical compression and deformation. Due to the symmetric radial compression and the resulting symmetry in the interfacial contact force profile on both sides, the hydrodynamic sealing element 142 does not undergo a tilting or twisting action when it is radially compressed. Thus, this seal can undergo much greater radial compression than commercially available dynamic pressure seals. Due to the dynamic compression capability provided by the combination of these hydrodynamic sealing elements and seal grooves, the rejection edge 148 of the seal is effectively held in particle rejection engagement with the cylindrical sealing surface of the shaft 146. Furthermore, when the seal is deformed in the radial direction, the outer radial corners of the seal 13
9 contacts the support surface 141 of the seal groove to support the seal in the groove to prevent tilting.

第8図および第8A図に図示のように、ハウジング150
はシールグルーブ152を画成し、このシールグルーブの
テーパまたは切頭円錐形グルーブ面154の最小直径部分1
56は動圧シール160の外側直径部分158に対応する。第8
図に図示のようにシールが放射方向圧縮を受けた時に、
シールの放射方向外側部分が変形されてテーパグルーブ
面154に当接し、また放射方向内側の動圧リップ(動圧
周シール突起)162も変形される。このシールはその汚
染物質側面においてのみ変形され面154と共に静圧密封
を成すので、このシールの圧縮変形は実質的に対称とな
り、内側および外側の接触力輪郭においても対応の対称
性が得られる。従ってシールはシールグルーブ152の中
で大きな傾斜または捻りの傾向を有しない。捻れがない
ので、排除縁164は軸の円筒形外側面166と最適係合状態
を保持する。さらに、シールの外側隅部151は第8図に
図示のように支持面154と支持係合状態にある。
As shown in FIGS. 8 and 8A, the housing 150
Defines a seal groove 152, the smallest diameter portion 1 of the tapered or frusto-conical groove surface 154 of this seal groove.
56 corresponds to the outer diameter portion 158 of the dynamic pressure seal 160. 8th
When the seal is subjected to radial compression as shown in the figure,
The radially outer portion of the seal is deformed and abuts against the tapered groove surface 154, and the radially inner dynamic pressure lip (dynamic pressure peripheral seal protrusion) 162 is also deformed. Since the seal is deformed only on the contaminant side and forms a hydrostatic seal with the surface 154, the compression deformation of the seal is substantially symmetrical, and corresponding symmetry is obtained in the inner and outer contact force profiles. Accordingly, the seal does not have a large tendency to tilt or twist within seal groove 152. Since there is no twist, the reject rim 164 maintains optimal engagement with the cylindrical outer surface 166 of the shaft. In addition, the outer corner 151 of the seal is in supporting engagement with the support surface 154 as shown in FIG.

第9図および第9A図においては、第8図の実質的に同
一構造の動圧シール168は汎用動圧回転軸シールであっ
て、第9図に図示のようにハウジング172のグルーブ170
の中に放射方向圧縮状態で配置されている。シールグル
ーブを成すハウジングはシールの実質的に円筒形の圧縮
部分174を画成し、この圧縮部分174は動圧密封面176の
平均圧縮幅と実質的に等しい距離だけ横方向に延在す
る。シールグルーブはテーパ内側面部分178を有し、こ
の部分がシール168の放射方向外側外周面180と協働して
シールの外周リリーフ区域182を成す。シール168は軸の
円筒形シール面184と放射方向反対側面の圧縮面174との
間に放射方向圧縮状態にあるので、シールは実質的に対
称的に変形し、両側の界面接触力輪郭においても対応の
対称性が得られ、シールはシールグルーブ170の中にお
いて大きく傾斜しまたは捻れる傾向を有しない。排除縁
186は軸の円筒形面に対して掻き落とし係合状態にとど
まり、動圧密封界面の中への汚染物質の進入を有効に防
止する。放射方向外側隅部181は支持面178と支持係合し
て、グルーブ中のシールの時計方向捻れを防止する。
9 and 9A, the dynamic pressure seal 168 of substantially the same structure in FIG. 8 is a general-purpose dynamic pressure rotary shaft seal, and as shown in FIG.
In radial compression. The housing defining the seal groove defines a substantially cylindrical compression portion 174 of the seal that extends laterally a distance substantially equal to the average compression width of the hydrodynamic sealing surface 176. The seal groove has a tapered inner surface portion 178 that cooperates with a radially outer peripheral surface 180 of the seal 168 to form an outer peripheral relief area 182 of the seal. Because the seal 168 is in radial compression between the cylindrical cylindrical sealing surface 184 and the radially opposite compression surface 174, the seal deforms substantially symmetrically, even at the interface contact force profile on both sides. A corresponding symmetry is obtained, and the seal does not have a tendency to be highly inclined or twisted in the seal groove 170. Exclusion edge
The 186 remains scraped and engaged with the cylindrical surface of the shaft, effectively preventing the entry of contaminants into the hydrostatic sealing interface. Radially outer corners 181 are in supporting engagement with support surface 178 to prevent clockwise twisting of the seal in the groove.

シールが放射方向圧縮力を受けた時に、その動圧密封
縁が潤滑剤クサビ作用と汚染物質排除作用とに最も有効
な形状をとる。第10図および第10A図に図示のように、
ハウジング構造188の中に回転軸190が延在する。ハウジ
ングは内部シールグルーブ192を画成し、このシールグ
ルーブの中にリング状動圧シール194が配置されてい
る。シールの非圧縮状態が第10A図に示され、シールの
放射方向圧縮状態が第10図に示されている。第10A図の
シールの場合、この非圧縮状態の内側面195と動圧密封
面196は水平に対して角度関係に配置されている。シー
ルグルーブ192を成すハウジングは円筒形の放射方向外
側の内側面198を画成し、この内側面が第10図に示すよ
うにシールの放射方向外側部分を移動させている。同時
にこの放射方向圧縮はシールの内周部分に第10図に図示
のように軸の形状をとらせ、シールの内周面に効果的な
動圧潤滑剤クサビ作用に適した形状をとらせ、また円形
縁197を軸から離間保持する。この場合、圧縮されたシ
ールの形状は幾分捻れている事を注意しなければならな
いが、この捻れ形状は、動圧界面における潤滑剤の動圧
運動と、動圧界面における動圧密封および放射方向外側
部分の静圧密封とに適している。さらにシールの排除縁
200は軸190の円筒形面と効率的掻き落とし係合状態にあ
る。従ってシールに放射方向圧縮を加えても、シールの
内部形状の故に、急角度の排除縁は軸の密封面と汚染物
質排除接触する状態に保持される。
When the seal is subjected to a radial compression force, its hydrodynamic sealing edge assumes the shape most effective for lubricant wedge action and contaminant rejection. As shown in FIGS. 10 and 10A,
A rotating shaft 190 extends into the housing structure 188. The housing defines an internal seal groove 192 in which a ring-shaped dynamic pressure seal 194 is located. The uncompressed state of the seal is shown in FIG. 10A, and the radially compressed state of the seal is shown in FIG. In the case of the seal shown in FIG. 10A, the inner surface 195 in the non-compressed state and the dynamic pressure sealing surface 196 are arranged in an angular relationship with the horizontal. The housing defining the seal groove 192 defines a cylindrical radially outer inner surface 198 which moves the radially outer portion of the seal as shown in FIG. At the same time, this radial compression causes the inner periphery of the seal to assume the shape of a shaft as shown in FIG. 10 and the inner periphery of the seal to assume a shape suitable for effective hydrodynamic lubricant wedge action, Also, the circular edge 197 is kept away from the shaft. In this case, it should be noted that the shape of the compressed seal is somewhat twisted, but this twisted shape causes the dynamic pressure motion of the lubricant at the dynamic pressure interface and the dynamic sealing and radiation at the dynamic pressure interface. Suitable for hydrostatic sealing of the outer part in the direction. Furthermore, the exclusion edge of the seal
200 is in efficient scraping engagement with the cylindrical surface of shaft 190. Thus, even when radial compression is applied to the seal, the steep exclusion edge is kept in contaminant exclusion contact with the sealing surface of the shaft because of the internal shape of the seal.

第19図に図示の本発明の実施態様においては、油圧シ
ール201は第2A図の実施態様と実質的に同形であるが、
放射方向外側の静圧リップ203から204まで円錐形を成
す。このような円錐形のリップ構造はシール205の外側
面に向かって徐々に増大する圧縮力を生じ、これによ
り、公差の積み重ねと軸の横方向片寄りから生じる捻り
作用の大きな変動に耐える事ができ、同時にパッキン押
さえ(図示されず)と軸(図示されず)との係合面にお
いて密封接触を保持する事ができる。203から204までの
円錐形状は動圧ポンプ輸送ゼオメトリー208の近くにお
いて動圧密封リップ206と軸の対向面(図示されず)と
の間の圧縮度を実質的に増大させず、またポンプ輸送作
用の低減をもたらすようなポンピングゼオメトリー208
の過度の平坦化またはゆがみを生じない。
In the embodiment of the invention shown in FIG. 19, the hydraulic seal 201 is substantially identical to the embodiment of FIG. 2A,
The radially outer hydrostatic lips 203 to 204 form a cone. Such a conical lip structure produces a progressively increasing compressive force toward the outer surface of the seal 205, which can withstand the large fluctuations in torsional action resulting from stacking tolerances and lateral offset of the shaft. At the same time, the sealing contact can be maintained at the engagement surface between the packing gland (not shown) and the shaft (not shown). The conical shape from 203 to 204 does not substantially increase the degree of compression between the hydrodynamic sealing lip 206 and the opposing surface of the shaft (not shown) near the hydrodynamic pumping Pumping zeometry 208 to reduce
Does not cause excessive flattening or distortion.

しかし前記の円錐形部分は急角度の排除縁207の近く
で動圧リップ(動圧周シール突起)206と軸の対向面と
の間の接触圧を増大させるので、この急角度の縁の排除
作用を改良させる。しかし前述のようにこの円錐形部分
は動圧リップ(動圧周シール突起)と軸の対向面との間
の接触圧を実質的に増大させないので、潤滑剤ポンピン
グ作用に対して悪影響は与えない。第19図に図示の実施
態様の利点は、静圧リップ(静圧周シール被圧縮部)20
2ではなく動圧リップ(動圧周シール突起)206の208か
ら207までの間に円錐形ゼオメトリーを与える事によっ
ても達成する事ができる。また動圧リップ(動圧周シー
ル突起)と静圧リップ(静圧周シール被圧縮部)の両方
に対して円錐形ゼオメトリーを適用する事によってこの
ような利点を得る事もできる。
However, the aforementioned conical portion increases the contact pressure between the dynamic pressure lip 206 and the opposing surface of the shaft near the sharp exclusion edge 207, thus eliminating this sharp edge. Improves action. However, as mentioned above, this conical portion does not substantially increase the contact pressure between the dynamic pressure lip and the opposing surface of the shaft, and therefore does not adversely affect the lubricant pumping action. . The advantage of the embodiment shown in FIG. 19 is that the hydrostatic lip
This can also be achieved by providing a conical zeometry between 208 and 207 of the dynamic pressure lip (dynamic pressure seal projection) 206 instead of 2. Such an advantage can also be obtained by applying conical zeometry to both the dynamic pressure lip (dynamic pressure peripheral seal projection) and the static pressure lip (static pressure peripheral seal compressed portion).

この実施態様の分析の結果、このような断面はパッキ
ン押さえ内部においてシールの捻れ傾向を示さない高度
の安定性を有する事が示された。第2A図の実施態様と同
様に、第19図に図示の実施態様の固有の安定性は、静圧
リップ(静圧周シール被圧縮部)が圧縮される動圧リッ
プ(動圧周シール突起)の形状に近似している事によ
る。シールが圧縮された時、両方のリップの界面接触力
輪郭と変形度の大きさおよび位置がきわめて類似してい
るので、パッキン押さえ内部においてシールが大きく捻
れる傾向がなく、平衡状態が得られる。
Analysis of this embodiment has shown that such a cross section has a high degree of stability within the gland without the tendency of the seal to twist. As with the embodiment of FIG. 2A, the inherent stability of the embodiment shown in FIG. 19 is such that the hydrostatic lip (the hydrostatic circumferential seal projection) compresses the hydrostatic lip (the hydrostatic circumferential seal compressed portion). )). When the seal is compressed, the interfacial contact force profile of both lips and the magnitude and location of the degree of deformation are very similar, so that the seal does not tend to twist too much inside the gland and an equilibrium is obtained.

シールはその動圧密封縁が効率的な潤滑剤クサビ作用
と汚染物質排除作用とを生じるに適した形状をとるよう
に、またパッキン押さえ中のシールの蛇行を生じないよ
うに拘束するように変形される。
The seal is deformed so that its hydrodynamic sealing edge is shaped appropriately for efficient lubricant wedge action and contaminant rejection, and restrains the seal from meandering during packing. Is done.

シール要素209の非圧縮状態を第20A図に示し、その圧
縮された状態を第20図に示す。
The uncompressed state of the sealing element 209 is shown in FIG. 20A, and the compressed state is shown in FIG.

第20図に見られるように、ハウジング構造210の中に
回転軸211が延在する。ハウジングの画成するシールグ
ルーブ212は潤滑剤側壁体213と汚染物側壁体214とを有
する。このシールグルーブ212の中にリング上の動圧密
封要素209が配置される。
As seen in FIG. 20, a rotating shaft 211 extends into the housing structure 210. The seal groove 212 defined by the housing has a lubricant sidewall 213 and a contaminant sidewall 214. In this seal groove 212 a dynamic pressure sealing element 209 on the ring is arranged.

第20A図の非圧縮状態において、動圧シールゼオメト
リーを215で示す。動圧リップ(動圧周シール突起)215
の潤滑剤側は軸方向に変動する動圧ゼオメトリー216を
画成し、また動圧リップの汚染物質側は急激な描き落と
し縁217を画成する。動圧リップの動圧密封面218はシー
ルの軸線に対して角度関係に配置され、動圧ゼオメトリ
ー215から急角度の排除ゼオメトリー217まで延在する。
非圧縮状態において内側面219はシールの軸線に対して
角度関係に配置されている。シールのリング状断面の軸
方向端面が潤滑剤側面220と汚染物質側面221とを画成す
る。動圧密封面と汚染物質側面との成す角度222が鋭角
を成さないように、汚染物質側面は排除縁217の近くで
傾斜している。
In the uncompressed state of FIG. 20A, the hydrodynamic seal zeometry is indicated at 215. Dynamic pressure lip (dynamic pressure peripheral seal projection) 215
The lubricant side defines an axially varying dynamic pressure zeometry 216, and the contaminant side of the dynamic lip defines a sharp dropout edge 217. The hydrodynamic sealing surface 218 of the hydrodynamic lip is arranged in an angular relationship to the axis of the seal and extends from the hydrodynamic zeometry 215 to the steep exclusion zeometry 217.
In the uncompressed state, the inner surface 219 is arranged in an angular relationship with respect to the axis of the seal. The axial end face of the ring-shaped cross section of the seal defines a lubricant side 220 and a contaminant side 221. The contaminant sides are sloped near the rejection edge 217 so that the angle 222 between the dynamic sealing surface and the contaminant sides does not form an acute angle.

第20A図に示す圧縮状態において、ハウジング構造は
シールグルーブ212を形成し、円筒形の放射方向外側面2
23を画成し、この外側面223がシールの放射方向外側部
分を移動させる。同時に放射方向圧縮がシールを移動さ
せて、シールの潤滑剤側面220をシールグルーブの壁体2
13と接触させシールの汚染物質側面221を汚染物質側の
グルーブ壁体214と接触させる。シールの両側面とグル
ーブの壁体との接触によりシールが拘束されて、シール
に対して横方向に別の圧力を加えなくてもその蛇行を防
止し、従って排除縁217が軸の回転速度に対してゆがま
ないように拘束し、このようにして排除縁の摩損を生じ
る衝突を防止し、シールの寿命を延長させる。
In the compressed state shown in FIG. 20A, the housing structure forms a seal groove 212 and a cylindrical radial outer surface 2.
The outer surface 223 moves the radially outer portion of the seal. At the same time, radial compression moves the seal and seals the lubricant side 220 to the seal groove wall 2
13 to bring the contaminant side 221 of the seal into contact with the contaminant side groove wall 214. The contact between the sides of the seal and the wall of the groove constrains the seal and prevents its meandering without applying additional lateral pressure to the seal, thus eliminating the reject edge 217 at the rotational speed of the shaft. It is restrained against warping, thus preventing collisions which would cause wear of the exclusion edge and extending the life of the seal.

動圧密封面218が非圧縮状態において傾斜しているの
で、圧縮状態においてシールが捻られても鋭い縁217が
軸と接触状態に留まり、その所期の排除機能を果たす事
ができる。またシールの内側部分219は非圧縮状態にお
いて傾斜し、圧縮状態においてはシールの捻り作用にも
係わらず軸から離間している。圧縮状態においてはシー
ルが捻られるが、動圧突起の前記の傾斜面が協働して、
急角度の排除縁217の場所でシールと軸との間の完全接
触を保持する事により、効果的排除作用を保持する。
Because the hydrodynamic sealing surface 218 is inclined in the uncompressed state, the sharp edge 217 remains in contact with the shaft even when the seal is twisted in the compressed state, and can perform its intended rejection function. Also, the inner portion 219 of the seal is inclined in a non-compressed state and is spaced from the axis in a compressed state despite the twisting action of the seal. In the compressed state, the seal is twisted, but the inclined surface of the dynamic pressure projection cooperates,
Maintaining full contact between the seal and the shaft at the location of the steep exclusion edge 217 maintains effective exclusion.

前述から明らかなように。本発明は前記のすべての目
的およびこの種の装置のその他の目的およびフィーチャ
をすべて達成するに適した構造である。
As is clear from the above. The present invention is a structure suitable for accomplishing all of the above objects and all other objects and features of this type of device.

本発明は前記の説明のみに限定されるものでなく、そ
の主旨の範囲内において任意に変更実施できる。
The present invention is not limited to the above description, but can be arbitrarily changed and implemented within the scope of the gist.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 米国特許3970321(US,A) 米国特許3980309(US,A) 米国特許4089533(US,A) ────────────────────────────────────────────────── (5) References US Patent 3,970,321 (US, A) US Patent 3,980,309 (US, A) US Patent 4,089,533 (US, A)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】潤滑側と汚染側との間において、回転自在
の環状シール面とともに、シール面の潤滑と汚染物質の
排除及び潤滑領域への進入阻止を行う動圧潤滑型回転絞
りパッキン型シールエレメントにおいて、 (a)内側および外側の放射方向の周面を有し、一方の
周面は、この周面に対して回転自在の環状のシール面と
ともに動圧シール界面を形成するのに適しており、他方
の周面は、前記回転自在の環状のシール面に対して放射
方向に所定間隔をおいた関係にある静圧シールパッキン
押え面と周面シール係合を形成するのに適しており、さ
らに、潤滑剤側と汚染物質側の境界を画する軸方向端部
を有する、弾性シール材からなる全体としてリング状の
部材と、 (b)前記リング状の部材の前記内側および外側の放射
方向の周面の一方に設けられ、前記回転自在の環状シー
ル表面とともにシールを行うようになされ、前記動圧シ
ール界面の中でその中に充填された潤滑剤に動圧クサビ
作用を生じさせるように、前記一方の周面の前記潤滑剤
側において前記一方周面の径が軸方向に変動するような
形状を有し、前記汚染物質側において前記動圧シール界
面から汚染物質を排除するための環状エッジを画成する
動圧周シール突起と、 (c)弾性シール材からなる前記リング状の部材の前記
内側および外側の放射方向の周面の他方に設けられ、前
記静圧シールパッキン押え面に押圧されて圧縮されたと
きに、前記静圧シールパッキン押え面とともにシール係
合を行うようになされ、前記動圧周シール突起の放射方
向反対側に配置される環状の静圧周シール被圧縮部と、
を備え、 (d)前記動圧周シール突起および前記静圧周シール被
圧縮部は、前記リング状部材をはさんで放射方向対称位
置に配設され、弾性シール材からなる前記リング状の部
材は、前記回転自在の環状のシール面と前記静圧シール
パッキン押え面との間の放射方向圧縮に際して同等のひ
ずみを受け、これによって、弾性シール材からなる前記
リング状の部材は、放射方向圧縮を受けた場合に圧縮誘
起捩れを受けないことを特徴とする、動圧潤滑型回転絞
りパッキン型シールエレメント。
1. A rotary lubricating rotary diaphragm packing type seal for rotatably sealing a sealing surface, removing contaminants and preventing entry into a lubricating area, with a rotatable annular sealing surface between a lubricating side and a contaminated side. In the element: (a) having an inner and outer radial peripheral surface, one of which is suitable for forming a hydrodynamic sealing interface with an annular sealing surface rotatable with respect to this peripheral surface; And the other peripheral surface is suitable for forming a peripheral surface sealing engagement with a hydrostatic seal packing holding surface radially spaced from the rotatable annular sealing surface. And a generally ring-shaped member made of an elastic sealing material having an axial end defining a boundary between the lubricant side and the contaminant side; and (b) the inner and outer radiation of the ring-shaped member. On one side of the circumference The one peripheral surface is adapted to seal with the rotatable annular seal surface and to cause a dynamic pressure wedge effect on the lubricant filled therein in the dynamic pressure seal interface. The lubricant has a shape such that the diameter of the one peripheral surface fluctuates in the axial direction on the lubricant side, and a dynamic edge defining an annular edge for removing contaminants from the hydrodynamic seal interface on the contaminants side. (C) provided on the other of the inner and outer radial peripheral surfaces of the ring-shaped member made of an elastic sealing material, and pressed by the hydrostatic seal packing pressing surface to be compressed. At the time, an annular hydrostatic circumferential seal compressed portion which is made to perform a seal engagement together with the hydrostatic seal packing holding surface and is arranged on a radially opposite side of the hydrodynamic circumferential seal projection,
(D) the dynamic pressure-peripheral seal protrusion and the static pressure-peripheral seal compressed part are disposed at radially symmetric positions with the ring-shaped member interposed therebetween, and the ring-shaped member made of an elastic seal material is provided. Receives the same strain during radial compression between the rotatable annular seal surface and the hydrostatic seal packing holding surface, whereby the ring-shaped member made of an elastic seal material is radially compressed. A dynamic-pressure lubricating rotary throttle packing type sealing element which is not subject to compression-induced torsion when subjected to pressure.
【請求項2】前記静圧周シール被圧縮部は、非圧縮状態
において、前記他方の周面から突出して形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の動圧潤滑型回転絞りパ
ッキン型シールエレメント。
2. The dynamic-pressure lubricating rotary throttle packing type according to claim 1, wherein the compressed portion of the static pressure peripheral seal is formed to protrude from the other peripheral surface in a non-compressed state. Seal element.
【請求項3】前記静圧周シール被圧縮部の外周面は、非
圧縮状態において、前記他方の周面と同一面になされて
いることを特徴とする請求項1記載の動圧潤滑型回転絞
りパッキン型シールエレメント。
3. The hydrodynamic lubricating type rotating device according to claim 1, wherein an outer peripheral surface of said compressed portion of said static pressure peripheral seal is in the same plane as said other peripheral surface in a non-compressed state. Aperture packing type seal element.
【請求項4】前記環状の静圧周シール被圧縮部と動圧周
シール突起は、これら静圧周シール被圧縮部と動圧周シ
ール突起の圧縮が等しくなり、前記動圧潤滑型回転絞り
パッキン型シールエレメントを形成するシール材からな
る全体としてリング状の部材に、ねじれが発生しないよ
うな圧縮荷重を与えるように協働することを特徴とする
請求項2又は3に記載の動圧潤滑型回転絞りパッキン型
シールエレメント。
4. The hydrostatic lubricating type rotary throttle according to claim 4, wherein said annular hydrostatic seal compressed portion and dynamic pressure peripheral seal projection have equal compression of said hydrostatic peripheral seal compressed portion and dynamic pressure peripheral seal projection. 4. The hydrodynamic lubrication according to claim 2, wherein the ring-shaped member made of a sealing material forming the packing-type sealing element cooperates to apply a compressive load such that twisting does not occur. Rotary diaphragm packing type seal element.
【請求項5】前記動圧周シール突起および前記静圧周シ
ール被圧縮部は、ともに弾性シール材からなる前記全体
としてリング状部材の前記汚染物質側に配置されるとと
もに放射方向反対側に配置されることを特徴とする、請
求項2又は3に記載の動圧潤滑型回転絞りパッキン型シ
ールエレメント。
5. The dynamic pressure-peripheral seal projection and the static pressure-peripheral seal compressed portion are both disposed on the contaminant side of the ring-shaped member as a whole and made of an elastic sealing material and disposed on the opposite side in the radial direction. The sealing element according to claim 2 or 3, wherein the seal element is a rotary diaphragm packing type.
【請求項6】前記動圧周シール突起および前記静圧周シ
ール被圧縮部はそれぞれ、前記全体としてリング状部材
の前記汚染物質側に環状の排除縁を形成し、前記環状の
排除縁はリング状部材の軸と直交する同一平面上に配置
されることを特徴とする、請求項5記載の動圧潤滑型回
転絞りパッキン型シールエレメント。
6. The dynamic pressure peripheral seal projection and the static pressure peripheral seal compressed portion each form an annular exclusion edge on the contaminant side of the ring-shaped member as a whole, and the annular exclusion edge is a ring. 6. The dynamic pressure lubricating rotary throttle packing type sealing element according to claim 5, wherein the sealing element is arranged on the same plane orthogonal to the axis of the member.
【請求項7】ハウジングが備えられ、このハウジング
は、前記環状シールパッキン押えの内表面形状と前記回
転自在の環状シール面との間の前記動圧潤滑型回転絞り
パッキン型シールエレメントの放射方向圧縮が、前記動
圧周シール突起および静圧周シール被圧縮部のところで
双方向に略対称なシールの変形状態を生じるように、さ
らに、前記動圧周シール突起を有する前記内側および外
側の周面の一方が、前記動的シール部内における潤滑剤
の動的クサビ作用と汚染物質を動的シール部から排除す
る排除作用とを維持できる断面形状を保持するように、
前記静圧周シール被圧縮部との圧縮シール係合のための
内表面形状を形成する環状のシールパッキン押えを画成
することを特徴とする、請求項2又は3に記載の動圧潤
滑型回転絞りパッキン型シールエレメント。
7. A radial compression of said hydrodynamic lubricating rotary throttle packing type sealing element between an inner surface shape of said annular seal packing retainer and said rotatable annular sealing surface. The inner and outer peripheral surfaces having the hydrodynamic peripheral seal projections so that a deformed state of the seal substantially bidirectionally symmetrical at the hydrodynamic peripheral seal protrusion and the hydrostatic peripheral seal compressed portion is generated. One of them retains a cross-sectional shape capable of maintaining a dynamic wedge action of a lubricant in the dynamic seal part and an elimination action of eliminating contaminants from the dynamic seal part,
The dynamic pressure lubricating die according to claim 2 or 3, wherein an annular seal packing retainer that forms an inner surface shape for compression seal engagement with the compressed part of the static pressure peripheral seal is defined. Rotary diaphragm packing type seal element.
【請求項8】圧縮誘起捩じれの発生なしに前記全体とし
てリング状部材の放射方向圧縮を達成するために、前記
環状の静圧周シール被圧縮部の放射方向圧縮のためのシ
ール係合周表面を有する環状のシールパッキン押え面が
形成されているハウジングを有することを特徴とする、
請求項2又は3に記載の動圧潤滑型回転絞りパッキン型
シールエレメント。
8. A seal engaging circumferential surface for radial compression of said annular hydrostatic circumferentially compressed portion in order to achieve radial compression of said generally ring-shaped member without occurrence of compression-induced torsion. Having a housing having an annular seal packing holding surface having
4. A seal element according to claim 2, wherein said seal element is a rotary diaphragm packing.
【請求項9】潤滑側と汚染側との間においてシール面の
潤滑と汚染物質の潤滑領域への進入阻止を行うため、静
圧シール表面を有するパッキン押さえを含むシールを画
成する静的構成要素と環状の動的シール表面を形成する
回転構成要素との間をシールするのに用いられる動圧潤
滑型回転絞りパッキン型シールエレメントにおいて、 (a)内側および外側の円周面が形成され、汚染物質と
接触する第1の軸方向の端面と潤滑剤との接触する第2
の軸方向の端面とが形成された弾性シール材からなるリ
ング状の部材と、 (b)シール材からなる前記全体として環状のリング状
部材から第1の放射方向に突出し、前記回転構成要素の
前記環状動圧シール表面と動圧シール係合を形成するよ
うになされ、前記汚染物質と接触し前記回転構成要素の
前記環状動圧シール表面とこすれ接触をするために、前
記第1の軸方向の端部に前記環状動圧シール表面から切
り立った排除縁が形成され、さらに、前記動圧シール突
起と前記回転軸の前記環状動圧シール表面との間の界面
の中に潤滑材をクサビ状に導入するために、前記潤滑材
と動圧クサビ接触をするための軸方向に変化するテーパ
ー状の肩部が形成された少なくとも1の動圧シール突起
と、 (c)前記静圧シール表面とシール接触するためにシー
ル材からなる前記全体としての環状のリング状部材から
第1の放射方向の突出するとともに前記動圧シール突起
と放射方向に対向した関係で配置され、前記動圧シール
表面と静圧シール表面との間で放射方向の圧縮を受けた
場合に、前記動圧突起と略等しい放射方向の変形を受
け、弾性シール材からなる前記全体としてリング状の部
材が前記動圧シールエレメントと静圧シール表面との間
で放射方向の圧縮を受けることによって、前記動圧シー
ルエレメントには、放射方向の変形に起因して捩じれが
発生しない少なくとも1の環状の静圧シール突起と、 を備えたことを特徴とする動圧潤滑型回転絞りパッキン
型シールエレメント。
9. A static arrangement defining a seal including a gland having a hydrostatic seal surface for lubricating the seal surface and preventing contaminants from entering the lubrication area between the lubrication side and the contaminated side. A hydrodynamically lubricated rotary throttle packing type seal element used to seal between the element and a rotating component forming an annular dynamic sealing surface, wherein: (a) inner and outer circumferential surfaces are formed; A first axial end face in contact with contaminants and a second end face in contact with the lubricant;
A ring-shaped member made of an elastic sealing material having an axial end face formed thereon; and (b) a first radially projecting direction projecting from the generally annular ring-shaped member made of a sealing material. A first axial direction for contacting the contaminant and making rubbing contact with the annular dynamic pressure sealing surface of the rotating component; An extruded edge is formed at the end of the annular dynamic pressure seal surface, and a wedge-shaped lubricant is inserted into an interface between the dynamic pressure seal protrusion and the annular dynamic pressure seal surface of the rotating shaft. (C) at least one hydrostatic seal projection having an axially varying tapered shoulder for making dynamic pressure wedge contact with the lubricant; Seal contact A first radial projection extending from the entire annular ring member made of a sealing material and disposed in a radially opposed relationship with the dynamic pressure seal projection; and the dynamic pressure seal surface and the static pressure seal surface When subjected to radial compression between the hydrodynamic projections, the hydrodynamic projections undergo radial deformation that is substantially equal to the dynamic pressure projections, and the overall ring-shaped member made of an elastic sealing material is used for the dynamic pressure sealing element and the static pressure sealing surface. Wherein the dynamic pressure sealing element is provided with at least one annular hydrostatic seal projection which is free from torsion due to radial deformation by being subjected to radial compression between and. Dynamic pressure lubrication type rotary diaphragm packing type sealing element.
【請求項10】前記動圧および静圧外周シール突起は、
ともに環状の形状を有するとともにシール材からなる前
記全体としてリング状の部材の汚染物質側に配置され、
前記動圧シール突起が前記回転軸の前記動圧シール表面
による圧縮によって放射方向に変形させられたときに、
前記動圧シール突起が、潤滑剤とのクサビ接触を形成す
るための軸方向に変化するテーパー状の肩部を形成する
ことを特徴とする請求項9記載の動圧潤滑型回転絞りパ
ッキン型シールエレメント。
10. The dynamic and static pressure outer peripheral seal projections
Both have an annular shape and are disposed on the contaminant side of the overall ring-shaped member made of a sealing material,
When the dynamic pressure seal projection is radially deformed by compression of the rotating shaft by the dynamic pressure seal surface,
10. The dynamic pressure lubricating rotary throttle packing type seal according to claim 9, wherein the dynamic pressure seal projection forms an axially changing tapered shoulder for forming wedge contact with a lubricant. element.
【請求項11】前記静的構成要素は、放射方向圧縮によ
ってシール剤からなる前記全体としてリング状の部材に
捩じれが生じないように、シール剤からなる前記全体と
してリング状の部材の前記環状の静圧シール突起と前記
静的構成要素とが協働してなされる放射方向の圧縮のた
めのシールを収容する内周環状シール表面を形成するパ
ッキン押えを形成することを特徴とする請求項9記載の
動圧潤滑型回転絞りパッキン型シールエレメント。
11. The annular component of the generally ring-shaped member of sealing material such that radial compression does not cause twisting of the generally ring-shaped member of sealing material. 10. A packing gland which forms an inner circumferential annular sealing surface containing a seal for radial compression in cooperation with the static pressure seal projection and the static component. The described dynamic pressure lubricating rotary throttle packing type sealing element.
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