適用於有大平移的流體環形密封系統的製作方法

2023-06-03 04:47:36 2

專利名稱：適用於有大平移的流體環形密封系統的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及一種由密封圈和轉輪組成的環形密封系統，其中轉輪可相對於密封圈作大幅度的軸向平移。具體來說，本發明包括多個位於轉輪圓周外、沿轉輪旋轉方向平行或傾斜設置的液壓槽。進一步地，液壓槽包括多個獨立設在轉輪周面上的凹槽組。每個凹槽組均包括至少兩個凹槽，不管密封圈與轉輪相對位置如何，凹槽都可以單獨或共同對密封圈內徑施加一個流體舉力。
背景技術：
外殼包含很多應用，有些外殼帶有多個貫穿有旋轉件的內腔，並且其中某個內腔還需要通過密封方法與另一個內腔相隔離。例如，在燃氣渦輪機的應用中，就必須將外殼潤滑艙中的潤滑油和毗鄰油封的液體或氣體分割開來。這點在旋轉軸經常從潤滑油這側穿到流體那側時，顯得尤其關鍵。在飛機發動機中，油盤油封用於將外圍的高壓大氣區，例如煤氣區，與氣壓較低的潮溼油盤區，如潤滑油區，分割開來。油盤油封可以防止潤滑油從低壓油艙中漏出，並最大限度地降低熱氣從高壓區流入潮溼油艙的速度。潤滑油從潤滑油側洩漏並進入煤氣側，會對設備性能造成不利影響。在飛機發動機的案例中，潤滑油從油封外漏進入高溫煤氣側，可能會導致石油焦化或發動機起火。更具體地說，當飛機使用的是油基潤滑劑時，石油與煤氣的混合可能會導致石油焦化，或使石油副產品被加熱到高溫狀態，從而改變石油的化學成分，對燃氣渦輪機造成不利。石油焦化還會汙染油封的表面，並阻止潤滑艙內的軸承正常潤滑。因此，不僅僅是在飛機發動機中，在類似應用中，將潤滑油密封在潤滑艙內並使其無法從旋轉軸周圍的油封處洩漏，同樣是很重要的。此類應用中的油封可以包括環形密封或面型密封；不過，上述案例一般使用的是環形軸封。環形密封一般是指一種被廣泛應用的密封設備，特別是在飛機發動機領域上應用更多。圖Ia和圖Ib示出了一種設於轉輪2旁邊的標準密封裝置1，密封裝置I的兩側分別是低壓區3和高壓區4。該密封裝置I將密封圈6固定在轉輪2周圍，該密封裝置I包括密封外殼5、扣環7、後板8、多個設於密封圈6周圍的壓縮彈簧9、螺旋彈簧10、空腔43以及抗旋轉插銷14。設於密封圈6上的支撐墊片11與轉輪20可在密封半徑15內構成環形密封，該支撐墊片11可包括一個底部封閉的內孔槽26和孔槽擋板13，從而提高密封性能。 設於密封圈6上的第二表面12可在密封外殼5上進行表面密封。圖2a和圖2b分別是一個標準環形墊片16的表面視圖和內徑視圖。多個環形墊片16可組成一個密封圈6。每個環形墊片16主要由碳和/或石墨製成，並被環繞在轉輪2 周圍，由此構成一個連續的相對靜止的密封圈6。每個環形墊片16包括一個舌片17和一個接合片18，該接合片18用於將兩個相鄰的環形墊片16接合起來，以防止洩漏。相關技術公開的密封圈6在其內徑上設有一個或多個底部封閉的凹槽或類似結構。相關技術並沒有沿圖Ia所示的轉輪2的圓周外表面上設置這種凹槽。目前，大多數環形密封都是圖la、lb、2a、2b所示的環形密封的變種，主要用於解決低壓液體艙和高壓氣體艙之間的密封需求。舉一個例子，發明人波普在公開號為5145189 的美國專利中公開了一種帶淺槽的密封圈，該密封圈可以將高壓氣體重新引入到多個較深的排氣槽中。在另一個例子中，發明人黃某在公開號為6145843的美國專利中公開了一種帶淺槽的密封圈，該密封圈利用加壓艙使流體進入高壓區。在密封圈內徑上設置凹槽會帶來一些問題，特別是在性能更高的渦輪發動機中問題更多。首先，密封圈通常由碳石墨組成，容易造成表面磨損，從而損壞淺層液壓槽。其次， 上述發動機的內部結構和運行環境經常會導致轉輪沿發動機的軸向作大幅平移。例如，在一些應用中由轉輪引起的軸向平移的幅度可能有四分之一英寸。由於傳統的凹槽都排列在軸向位置上，轉輪和密封圈之間的大幅相對移動，將使凹槽內的液體不受控制地排出凹槽。 其結果會使凹槽對轉輪所施加的流體舉力減少或消失。舉力的強度不夠大，更容易使轉輪和密封圈發生接觸。而任何這種接觸都會磨損密封圈的內徑表面，並隨著時間的推移降低凹槽的深度和性能。根據以上討論顯而易見，現有技術不包括一種環形密封，使得轉輪既可以大幅軸向平移，又不會影響密封系統性能。現有技術也不能解決內徑上帶凹槽的密封圈的性能問題。因此，需要提供一種環形密封，實現當轉輪出現大幅移位時，密封圈和轉輪間的舉力不受影響。

發明內容
本發明的目的是提供一種轉輪大幅平移時密封圈和轉輪間的舉力不受影響的環形密封。根據本發明的一個實施例，環形密封系統通過帶圓周外表面的轉輪和密封圈可以將高壓區與低壓區密封隔離，該密封圈包括多個設於圓周外表面上的環形墊片。該密封系統包括多個獨立設於圓周外表面上的凹槽組。每個凹槽組包括至少兩個凹槽。當轉輪沿著與自身旋轉方向垂直的基線移向密封圈時，每個凹槽組內至少有一個凹槽通過高壓區內的流體對密封圈施加一個舉力。在其他實施例中，每個凹槽組包括多個沿轉輪旋轉方向傾斜或大致平行設置的凹槽。在另一實施例中，每個凹槽組包括一個補給槽，用於給其他凹槽傳送流體。該補給槽和其他凹槽垂直或傾斜設置。在又一實施例中，相鄰凹槽組之間的凹槽可以在數量、布局上有所不同，從而各凹槽可沿圓周外表面偏移設置。在進一步的實施例中，每個凹槽組內的凹槽可以有不同的長度或被設置在圓周外表面上，從而確保轉輪平移發生前至少有其中一個凹槽可以將舉力傳到密封圈內徑上，轉輪發生平移時至少有另一個凹槽可以將舉力傳到密封圈內徑上。在進一步的實施例中，間隔的凹槽組可以將舉力傳到密封圈上，或至少一個凹槽組可以將舉力傳到每個環形墊片上。本發明具有以下幾個優點本發明可確保在轉輪移向密封圈時，每個凹槽組內至少有一個凹槽位於密封圈各環形墊片和轉輪之間的重疊區上，從而流體舉力可連續傳送到
5密封圈各環形墊片上。無論密封圈和轉輪相對位置如何，只要加壓流體持續對密封圈施加舉力，便可確保轉輪軸向平移時在密封圈和轉輪之間形成一個薄膜。本發明將液壓槽設在比密封圈更耐磨的轉輪外徑上，因此可以延長密封系統壽命。


為了使本發明的區別技術、特徵和優點變得更容易理解和顯而易見，說明書中將結合以下附圖對本發明進行說明，其中圖Ia是現有技術設於渦輪發動機內的轉輪旁的環形密封裝置的剖視圖；圖Ib是圖Ia所示的現有環形密封裝置的局部放大剖視圖；圖2a是現有技術環形密封上的環形墊片的一個側視圖；圖2b是設於圖2a所示環形墊片上的舌片和接合片的外部縱向視圖；圖3是本發明實施例中設於轉輪旁邊的環形密封的剖視圖；圖4是本發明實施例中闡明設於圖3所示轉輪圓周外表面上的液壓槽位置的局部放大截面圖，該液壓槽沿轉輪的旋轉方向平行設置；圖5是本發明實施例中闡明設於圖4所示轉輪圓周外表面上的液壓槽布局的內部縱向視圖，液壓槽包括多個凹槽組，每個凹槽組包括多個與補給槽垂直連接的平行凹槽；圖6是本發明實施例中闡明設於圖5所示轉輪上的帶補給槽的液壓槽側面結構的截面圖；圖7是本發明實施例中闡明設於轉輪圓周外表面上的液壓槽布局的內部縱向視圖，液壓槽包括多個凹槽組，每個凹槽組包括多個與補給槽斜向連接的平行凹槽；圖8本發明實施例中闡明設於圖3所示轉輪圓周外表面上的液壓槽位置的局部放大截面圖，該液壓槽沿轉輪的旋轉方向傾斜設置；圖9是本發明實施例中闡明設於圖8所示轉輪圓周外表面上的液壓槽布局的內部縱向視圖，液壓槽包括多個凹槽組，每個凹槽組包括多個與轉輪旋轉方向呈一定角度設置的平行凹槽；圖10是本發明實施例中闡明設於圖9所示轉輪上的液壓槽側面結構的截面圖；圖Ila是本發明實施例中闡明轉輪平移前圓周外表面上的液壓槽布局的內部縱向視圖，其中液壓槽包括多個凹槽組，每個凹槽組包括多個與轉輪旋轉方向呈一定角度設置的平行凹槽，密封圈包括一個孔槽擋板和內孔槽；圖Ilb是闡明圖Ila所示轉輪平移後、液壓槽和密封圈布局的內部縱向視圖；圖12是本發明實施例中液壓槽內部的優選壓力場的曲線圖；以及圖13是本發明實施例中設於轉輪圓周外表面上的密封圈和液壓槽的受力分析示意圖。
具體實施例方式現在結合附圖通過本發明的幾個最佳實施例進行詳細說明。附圖使用相同/相似的序號來表示相同/相似的部件或步驟。附圖採用縮略圖，並不表示精確的尺寸。現在請參考圖3-4，所示的環形密封系統包括一個內部帶密封圈6的密封裝置1， 該密封圈6設於轉輪20周圍，與轉輪20相鄰。該密封裝置I和密封圈6可以包括各種現有技術公知的結構設計。因此，所述環形密封系統適用於各種帶旋轉件的發動機，所述旋轉件貫穿於彼此隔離的各隔間。此外，所述環形密封系統也適用於發動機的低壓環境和氣壓反轉環境中。在高級燃氣渦輪發動機的特定飛機環境中，油箱側的氣壓可能會高於密封艙側的氣壓，這會導致可觀的燃油洩漏。當氣壓反轉發生時，液壓槽會產生比油箱側更高的氣壓，從而可以阻止燃油從孔槽擋板13中洩漏。因此，在氣壓反轉期間，當油箱側與密封艙側的氣壓差為負值時， 空氣會不斷地從密封艙側進入油箱。在本發明中，轉輪20可以包括多個隱藏於轉輪圓周外表面上的類似口袋的凹槽
21。該凹槽21可直接設於轉輪20的結構內部，或設於轉輪圓周外表面19外加的塗覆層22 上。在一些實施例中，在圓周外表面19的端面37內藏入塗覆層22可能比較有利。該塗覆層22最好是一種可通過現有技術添加的堅硬耐磨材料。例如，塗覆層22可以是由碳化鎢組成的通過火焰噴塗在圓周外表面19上的厚度為O. 003到O. 005英寸的均勻塗層。凹槽21和/或端面37可以通過現有技術已知的機械、模鑄或成型方法設在轉輪20或塗覆層 22內。現在請參考圖4-5，轉輪20周圍每隔一個間隔24設有凹槽21，多個凹槽21構成不同的凹槽組24a-24c。然而，在一些實施例中，當每個凹槽組24a_24c內的第二末端40被傾斜或偏移放置時，相鄰的凹槽組24a-24c可能會重疊或交叉在一起，但互不連通。雖然圖 5顯示的是三個凹槽組24a-24c，但應該理解可以設置很多類似凹槽在轉輪20周圍。因此， 凹槽組24a-24c的總數取決於具體應用和設計。每個凹槽組24a_24c內的凹槽21長度可以相同或不同，並且可以按各種非平行和平行方式排列。每個凹槽組24a-24c分別將來自高壓區4的流體引到密封圈6上。此外， 每個凹槽組24a-24c內的每個凹槽21也可獨立將流體引到密封圈6上。請再次參考圖5，凹槽21被大致平行地設置在轉輪20的圓周外表面上。凹槽21 之間具有一個分開的間隔44，各個凹槽組24a-24c上以及各個相鄰凹槽21之間和/或上的間隔44可以有所不同。該圓周外表面19上設有一個補給槽23，該補給槽23與各凹槽21 的第一末端39相交，從而補給槽23和各凹槽組24a-24c內的各凹槽21之間可以形成一個連續的通路。如圖5所示，該補給槽23可以與各凹槽21垂直相交，或者按圖7所示方式傾斜相交。每個補給槽23的入口 41最好朝向高壓區4，從而便於流體從高壓區4進入補給槽23，然後再進入各凹槽21。在優選的實施例中，通過控制手段，密封圈6和轉輪20之間的流體可以排放到低壓區3內。凹槽組24a_24c的總數部分取決於密封圈6和轉輪20的大小，環形墊片16的個數，每個環形墊片16的長度，每個凹槽組24a-24c內凹槽21的個數和放置角度，每個凹槽 21的長度、深度和寬度，需要將流體引到密封圈6或各環形墊片16下面、用以維持轉輪20 和密封圈6間所需舉力的凹槽21個數，相鄰凹槽組24a-24c間的凹槽21重疊或偏移情況， 以及轉輪20的最大平移距離。該圓周外表面19上的各凹槽組24a_24c內的凹槽21個數可以相同或不同。如圖 5所示，凹槽組24b具有三個凹槽21，凹槽組24a和24c具有兩個凹槽，凹槽組24b設於凹槽組24a和24c之間；然而，也可以採用其他設置。在另一概括實施例中，置於凹槽組24a_24c之間的凹槽21個數可以不同，由此，凹槽組24b可以設置X個凹槽21，與其相鄰的凹槽組 24a，24c設置x+y個凹槽，其中x和y是大於O的整數。如圖5所示，置於凹槽組24a_24c之間的凹槽21可以偏移一定位置，以保證流體可沿著凹槽的完整傳輸路徑被傳送到密封圈6上。凹槽所偏移的幅度取決於具體設計，並且相鄰凹槽組24a-24c內的一個或多個凹槽21間相互可以不重疊或部分重疊。轉輪20的軸向平移可以由不穩定狀態、條件、溫度、或其它影響因素所引起。一般而言，這種平移是沿著與轉輪20的旋轉軸大致平行或垂直的方向進行的，圖5示出了沿旋轉軸垂直方向進行的平移。為了容易理解，覆蓋區是指圓周外表面19上緊挨密封圈6或環形墊片16下部的區域。初始覆蓋區33是指轉輪20啟動時密封圈6或環形墊片16與轉輪 20之間的覆蓋區域。在該實施例中，密封圈6或環形墊片16可以覆蓋外側凹槽組24a，24c 內最靠右的凹槽21和中間凹槽組24b內的右邊兩個凹槽21。因此，在該特定位置上的凹槽 21可以將流體傳到密封圈6或環形墊片16上。在轉輪20平移至其最大移動距離35時， 密封圈6或環形墊片16覆蓋轉輪20上以最終覆蓋區34表示的區域。在最終覆蓋區上，密封圈6或環形墊片16可以覆蓋外側凹槽組24a，24c內最靠左的凹槽21和中間凹槽組24b 內的左邊兩個凹槽21。因此，在該特定位置上的凹槽21可以將流體傳到密封圈6或環形墊片16下面。轉輪20在初始覆蓋區33和最終覆蓋區34之間平移時，通過一個或多個凹槽組24a-24c內的其他凹槽21組合，流體可被傳送到密封圈6或環形墊片16下面。根據最大移動距離35的幅度，初始覆蓋區33和最終覆蓋區之間可以重疊或不重疊。現在請參考圖4-6，圖中示出了優選凹槽21和補給槽23的側視圖。所示的凹槽21 基本上呈現出線狀延伸結構，具有一長度28、一均勻的深度27和一均勻的寬度31 ;然而，凹槽21的深度27和寬度31可以逐漸變化，從而凹槽21可能會是錐形或其他形狀。凹槽21 沿長度28方向可以是非線性或弓形的結構。凹槽21的第二末端40可以為三角形、長方形、 扁平的或圓形的結構，圓形的結構如圖5所示。優選地，凹槽的尺寸包括但不限於深度27 在O. 000010到O. 010英寸之間，寬度31在O. 010到I. 000英寸之間，長度28在O. 100至
10.000英寸之間，間隔44在O. 010到I. 000英寸之間。補給槽23基本上也呈現出線狀延伸結構，具有一長度32、一均勻的寬度30和一均勻的深度29 ;然而，補給槽23的深度29和寬度30也是可以逐漸變化的，從而補給槽23 可能會是錐形或其他形狀。補給槽23在長度方向上也可以是非線性結構或弓形結構。雖然圖示的補給槽23具有弧形末端，但其他形狀也是可行的。優選地，補給槽的尺寸包括但不限於深度29在O. 000010到O. 010英寸之間，寬度30在O. 010到I. 000英寸之間，長度 32在O. 100至10. 000英寸之間。現在請參考圖8和圖9，在轉輪20的圓周上設有多個可構成不同凹槽組24a_24c 的凹槽21，相鄰凹槽組24a-24b，24b_24c之間的凹槽相互重疊和接觸。雖然圖9示出了三個凹槽組24a-24c，但應當理解可以有更多的類似結構被設置在轉輪20的圓周附近。因此， 所述凹槽組24a-24b的總數取決於具體應用和設計。轉輪20可以包括多個隱藏於轉輪圓周外表面上的類似口袋的凹槽21。該凹槽21 可直接設於轉輪20的結構內部，或設於轉輪圓周外表面19外加的塗覆層22上。在一些實施例中，在轉輪圓周外表面19的臺面37內藏入塗覆層22可能比較有利。該塗覆層22最好是一種可通過現有技術添加的堅硬耐磨材料。
每個凹槽組24a_24c內的凹槽21長度可以相同或不同，並且可以按各種非平行和平行方式排列。每個凹槽組24a-24c分別將來自高壓區4的流體引到密封圈6上。此外， 任一凹槽組24a-24c內的每個凹槽21也可獨立將流體引到密封圈6下面。在圖9中，凹槽21被大致平行地設置在轉輪20的圓周外表面19上。凹槽21之間具有一個分開的間隔44，各個凹槽組24a-24c上或者各個相鄰凹槽21之間和/或上的間隔44可以有所不同。在該實施例中，凹槽21所處的位置與轉輪20的旋轉方向之間具有一個角度25，從而各凹槽21的第一末端39基本對準圓周外表面19 一側並朝向高壓區4。通過這種排列方式，流體可以從高壓區進入各凹槽21內。各凹槽21的第二末端40朝向低壓區3，從而各凹槽21可以停靠在離高壓區4具有一定距離的不同位置上。通過這種排列方式，當轉輪20發生平移時，各凹槽組24a-24c內的一個或多個第二末端40可以將流體傳送到密封圈6或環形墊片15上。在優選的實施例中，通過控制手段，密封圈6和轉輪20之間的流體可以排放到低壓區3內。所述凹槽組24a-24b的總數取決於具體應用和設計。圓周外表面19上的各凹槽組24a_24c內的凹槽21個數可以相同或不同。在圖8 中，凹槽組24b具有三個長度不同的凹槽21 ;然而，也可以採用其他設置方式，包括但不限於具有不平行的多個凹槽21，凹槽21的末端採用帶尖角或無尖角的形狀。在該實施例中，初始覆蓋區33可以是轉輪20啟動時密封圈6或環形墊片16與轉輪20之間的覆蓋區域。在一個實施例中，密封圈6或環形墊片16可以覆蓋最靠右的兩個凹槽21的一部分。因此，在該特定位置上的凹槽21可以將流體傳到密封圈6或環形墊片 16上。在轉輪20平移至其最大移動距離35時，密封圈6或環形墊片16可以覆蓋轉輪20 上以最終覆蓋區34表示的區域。在最終覆蓋區上，凹槽組24a-24c內最靠左的凹槽21可以覆蓋密封圈6或者一個或多個環形墊片16，從而密封圈6或環形墊片16對準第二末端 40。因此，在該特定位置上的凹槽21可以將流體傳到密封圈6或環形墊片16上。轉輪20 在初始覆蓋區33和最終覆蓋區34之間平移時，通過中間的凹槽21或者通過一個或多個凹槽組24a-24c內的其他凹槽21組合，流體可被傳送到密封圈6或環形墊片16上。根據最大移動距離35的幅度，初始覆蓋區33和最終覆蓋區之間可以重疊或不重疊。現在請參考圖9-10，圖中示出了優選凹槽21的側視圖。所示的凹槽21基本上呈現出線狀延伸結構，具有一長度28、一均勻的深度27和一均勻的寬度31 ;然而，凹槽21的深度27和寬度31可以逐漸變化，從而凹槽21可能會是錐形或其他形狀。凹槽21在長度 28方向上可以是非線性結構或弓形結構。凹槽21的第二末端40可以為三角形、長方形、圓形的或扁平的結構，後面兩種結構分別如圖9和Ila所示。優選地，凹槽的尺寸包括但不限於:深度27在O. 000010到O. 010英寸之間，寬度31在O. 010到I. 000英寸之間，長度28 在O. 100至10. 000英寸之間，間隔44在O. 010到I. 000英寸之間。現在請參考圖lla-llb。在圖8_9所示的本發明另一實施例中，轉輪20的圓周外表面19上包括多個可構成凹槽組24a-24c的凹槽21，各個凹槽21以基本平行的方式錯開設置、互不重疊。在這個實施例中，凹槽21所處的位置與轉輪20的旋轉方向之間具有一個角度25，從而各凹槽21的第一末端39基本朝向高壓區4。通過這種排列方式，流體可根據密封圈6的位置從高壓區4進入各凹槽21內。各凹槽21的第二末端40朝向低壓區3，從而各凹槽21可以停靠在離高壓區4具有一定距離的不同位置上。進一步地，第一末端39 和第二末端40被削成尖端形，從而第二末端40的最左側邊及第一末端39的最右側邊平行於密封圈6的側邊。這種排列方式確保轉輪20在平移期間，各凹槽組24a-24c內的一個或多個第二末端40可以將流體傳送到密封圈6或環形墊片15上。在這個實施例中，通過設置初始覆蓋區33，圖Ilb中的密封圈6或環形墊片16上的支撐墊片11、內孔槽26和孔槽擋板13可以覆蓋圖Ila-Ilb所示的最右邊三個凹槽21的一部分，從而對準第二末端40。因此，至少最右邊兩個凹槽21可以將流體傳到密封圈6或環形墊片16上。轉輪20開始平移後，支撐墊片11、內孔槽26和孔槽擋板13可以覆蓋轉輪 20上以最終覆蓋區34表示的區域。在最終覆蓋區上，各凹槽組24a-24c內的最左邊兩個凹槽21可以覆蓋支撐墊片11，從而支撐墊片11可對準第二末端40。因此，在該特定位置上的凹槽21可以將流體傳到密封圈6或環形墊片16上。轉輪20在初始覆蓋區33和最終覆蓋區34之間平移時，支撐墊片11、內孔槽26和/或孔槽擋板13可以與各凹槽組24a-24c 內的一個或多個凹槽21交互，從而流體可被傳送到密封圈6或環形墊片16上。在一些實施例中，凹槽21的長度45，即凹槽21的有效寬度46應等於或小於密封圈6上至少一個支撐墊片11的寬度，以便轉輪軸向平移時可以在某一點上切斷從高壓區4 到低壓區3的流體的傳輸路徑。這種安排可以防止凹槽21 —旦處於密封圈6下面或被其覆蓋時，高壓進入凹槽21的高壓末端。現在請參考圖12，圖12是以凹槽21幾乎完全被密封圈6或一個或多個環形墊片 16覆蓋為條件，沿凹槽21長度28方向上測定的流體優選壓力圖。在這個實施例中，第一末端39所受壓力接近於零或等於外圍壓力值，沿凹槽21的長度28方向凹槽所受壓力逐漸增大，直到第二末端40達到最大值。在其他實施例中，當最初是密封圈6或環形墊片16覆蓋凹槽21時，壓力最小值可能會出現在凹槽21上的某個其他位置。在又一其他實施例中，根據密封圈6或環形墊片16與轉輪20之間的接口情況、一個或多個凹槽21的尺寸或其他因素，該壓力圖可能是非線性的。一般來說，密封圈6或一個或多個環形墊片16需要沿著凹槽21的長度28方向充分覆蓋凹槽21，以使轉輪20傳給密封圈6或環形墊片16的舉力達到最大值。當凹槽21 被部分覆蓋時，凹槽21也可以傳遞足夠的舉力到密封圈6或環形墊片16上，使其覆蓋凹槽 21的第二末端40的相鄰區域。當凹槽組24a-24c內的各凹槽21長度不同時，每個凹槽組 24a-24c內至少一個凹槽具有足夠的長度，用於保證轉輪20平移前轉輪20和密封圈6間能產生舉力，並且至少另一凹槽具有足夠的長度，用於在轉輪20沿其平移路徑平移時維持所述舉力。凹槽21也可以分開設置在轉輪圓周外表面19上，從而至少一個凹槽21可以保證平移前轉輪20和密封圈6之間能產生舉力，至少另一個凹槽21可以在轉輪20穿過其平移路徑時維持所述舉力。所述的環形密封系統可以將來自高壓區4的流體直接引入圓周外表面19上的多個凹槽組24a-24c內。之後，當轉輪20沿著與其旋轉軸基本垂直的基線移向密封圈6時， 流體可從每個凹槽組24a-24c內的至少一個凹槽21傳送到密封圈6上。這種流體可以形成一層薄膜，該薄膜足以在密封圈6上產生一個舉力，從而將密封圈6從圓周外表面19上移開。在一些實施例中，這種舉力可以由間隔的凹槽組24a-24c內的至少一個凹槽21所產生。現在請參考圖13，圖13通過圖表示出了本發明應用在圖la、Ib所示的組件中時， 作用在密封圈6周圍的以F1到F9表示的平衡力，該平衡力可以在密封圈6和轉輪20之間產生流體運轉環境。沿軸向方向上的載荷條件主要包括四個部分。密封圈6右側包括由高壓區4產生的壓力F1和由壓縮彈簧9施加的壓力F2。密封圈6左側包括反作用於第二表面12上密封外殼5和密封圈6之間的接口壓力F3,以及由表面擋板產生的壓力F4。壓力F1和F2之和應該大於壓力F3和F4之和，從而使密封圈6能牢固倚靠在密封外殼5的軸向位置上。沿徑向方向上的載荷條件主要包括五個部分。密封圈6的外圓周上包括由高壓區 4的加壓流體產生的壓力F5和由螺旋彈簧10施加的壓力F6,該高壓區4處於密封圈6和密封外殼5之間的空腔43內。密封圈6的內圓周上包括由支撐墊片11周圍的高壓區4產生的壓力F7,由孔槽擋板13底部產生的壓力F8,以及由所述凹槽21傳到密封圈6上的流體所產生的壓力F9。在穩定條件下，壓力F5和F6之和應該等於或小於壓力F7、F8和F9之和，從而當從高壓區4到低壓區3的流體流量達到最小值時，密封圈6可以與旋轉中的轉輪20保持一定距離。在不穩態條件下，壓力F5和F6之和應該小於壓力F7、F8和F9之和，從而轉輪啟動時密封圈6可被外力推開，與旋轉中的轉輪20分離，並且轉輪關閉時密封圈6可移向轉輪20，最終與轉輪20接觸。流體密封時是通過一個薄膜進行的，並且凹槽不接觸密封圈， 以延長密封壽命，減少熱量產生，並減少或排除渦輪發動機中的含油轉輪20的冷卻需求。以上說明示出了本發明所提供的多種靈活性強的實施方式。儘管說明書中通過一些特定的最佳方案詳盡地描述了本發明的各種實施方式，但也可採用其他方案。因此，本發明的附屬權利要求不應局限於上述最佳方案所包含的內容。工業適用性通過以上說明顯而易見，本發明的環形密封系統及其相關改進，可以保證系統在可大幅相對軸向平移的接口上仍能維持密封性能。本發明預計可用在與外殼有關的應用中，這種外殼包括很多內腔，旋轉件貫穿在內腔中，並且其中一個內腔需要通過密封方法與另一個隔離。一個具體的非限定的例子包括渦輪發動機。
權利要求
1.一種環形密封系統，用於通過帶圓周外表面的轉輪和包含多個環形墊片的密封圈將高壓區與低壓區密封隔離，所述環形墊片設於所述圓周外表面的周圍，其特徵在於包括多個沿所述圓周外表面獨立設置的凹槽組，每個所述凹槽組包括至少兩個凹槽，當所述轉輪沿著與所述轉輪旋轉方向大致垂直的基線移向所述密封圈時，每一個所述凹槽組內至少有一個凹槽將來自所述高壓區的流體傳送到所述密封圈上，所述流體在所述密封圈和所述轉輪之間產生一個舉力。
2.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於至少一個所述凹槽組內的所述凹槽呈基本平行的設置。
3.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於每個所述凹槽組進一步包括一個補給槽，所述補給槽將所述流體傳送到各個所述凹槽內。
4.根據權利要求3所述的環形密封系統，其特徵在於所述補給槽垂直於所述凹槽組內的凹槽。
5.根據權利要求3所述的環形密封系統，其特徵在於所述補給槽相對於所述凹槽組內的凹槽呈角度設置。
6.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於相鄰的所述凹槽組含有的凹槽數量不同。
7.根據權利要求6所述的環形密封系統，其特徵在於具有X個凹槽的所述凹槽組被相間放置在具有χ+y個凹槽的所述凹槽組之間，其中的X和y是大於O的整數。
8.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於相鄰的所述凹槽組之間的所述凹槽被偏移設置。
9.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於至少一個所述凹槽組內的所述凹槽平行於所述轉輪的旋轉方向。
10.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於至少一個所述凹槽組內的所述凹槽相對於所述轉輪的旋轉方向傾斜設置。
11.根據權利要求10所述的環形密封系統，其特徵在於所述凹槽的長度，即所述凹槽的有效寬度應等於或小於所述密封圈支撐面的寬度，以中斷從所述高壓區進入所述低壓區的所述流體的傳輸路徑。
12.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於每個凹槽組內的所述凹槽具有不同的長度或被設置在所述圓周外表面上，從而至少有一個凹槽具有足夠的長度，使得在所述轉輪平移前產生所述舉力，並且至少有另一個凹槽具有足夠的長度，使得在所述轉輪平移時產生所述舉力。
13.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於最多每隔一個所述凹槽組，就有至少一個可將所述流體傳送到所述密封圈上的凹槽。
14.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於至少一個所述凹槽組將所述流體傳送到所述環形墊片上。
15.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於所述密封圈包括一個孔槽擋板和一個與所述圓周外表面相鄰的內孔槽。
16.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於所述密封圈被設置在一個密封裝置中。
17.根據權利要求I所述的環形密封系統，其特徵在於所述環形密封系統被設置在一個渦輪發動機中。
18.根據權利要求17所述的環形密封系統，其特徵在於使用在渦輪發動機內的所述環形密封系統，能夠在出現低壓或反轉氣壓條件時防止洩露。
19.一種通過帶圓周外表面的轉輪和設置在所述圓周外表面上的含有多個環形墊片的密封圈將高壓區與低壓區密封隔離的方法，其特徵在於方法包括以下步驟(a)將流體從高壓區引入多個獨立設置於所述圓周外表面上的凹槽組內，每個所述凹槽組包括至少兩個凹槽；(b)當所述轉輪沿著與所述轉輪旋轉方向大致垂直的基線移向所述密封圈時，將所述流體從各個所述凹槽組內的至少一個凹槽中傳送到所述密封圈上；(C)藉助含有所述流體的密封圈所產生的舉力，所述密封圈相對於所述圓周外表面作徑向移動。
20.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於每個凹槽組內的所述凹槽具有不同的長度或被設置在所述圓周外表面上，從而至少有一個凹槽具有足夠的長度，使得在所述轉輪平移前產生所述舉力，並且至少有另一個凹槽具有足夠的長度，使得在所述轉輪平移時產生所述舉力。
21.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於至少有一個所述凹槽將所述流體傳送到所述環形墊片之下。
22.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於最多每隔一個所述凹槽組，就有至少一個可將所述流體傳送到所述密封圈下的凹槽。
23.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於至少有一個所述凹槽組將所述流體傳送到所述環形墊片之下。
全文摘要
一種環形密封系統，通過帶圓周外表面(19)的轉輪(20)和設於該圓周外表面(19)周圍的密封圈(6)將高壓區(4)與低壓區(3)密封隔離。該密封系統包括多個沿該圓周外表面(19)獨立設置的凹槽組(24a-24c)。每個凹槽組(24a-24c)進一步包括至少兩個凹槽(21)。當轉輪(20)沿著與轉輪(20)的旋轉方向大致垂直的基線移向密封圈(6)時，每個凹槽組(24a-24c)內至少有一個凹槽(21)將高壓區(4)的流體傳到密封圈(6)上，以產生一個舉力。當轉輪(20)因渦輪發動機內部環境而發生軸向移動時，不管轉輪(20)與密封圈(6)的相對位置如何，連續傳到密封圈(6)上的流體可確保在它們之間形成一層薄膜。
文檔編號F01D11/08GK102597583SQ200980161396
公開日2012年7月18日 申請日期2009年8月27日 優先權日2009年8月27日
發明者葛倫·M·加裡深 申請人:斯坦密封公司