具有熱穩定接合環的機械密封件的製作方法

2023-05-29 10:12:01 3

專利名稱：具有熱穩定接合環的機械密封件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種^/L械端面密封組件。更具體地說，本發明涉及一種具有熱 穩定接合環的高溫機械端面密封組件。
背景技術：
泵，尤其是那些精煉廠和化工廠中的泵，通常操作難以密封的、包括丙烷、 丁烷，以及其他不穩定的、易燃燒的或有毒的液體。這些液體可導致短的密封 壽命和不希望的產品洩漏。
機械端面密封組件是已知的，並為產品洩漏的成功解決方案。在具有殼體 和延伸的旋轉軸的泵中，機械端面密封組件;故廣泛運用於密封液體。密封組件 通常包括一對環形密封環，該對環形密封環限定一對相對可旋轉的環形密封表 面，該對環形密封表面被緊壓在一起以限定密封交界面。這些密封環通過裝配 部件被支撐在軸和殼體上。 一個密封環，即主環，能在軸向移動，並通過壓縮 彈簧或金屬波紋管被緊壓為與其它密封環，即接合環，的面對面接觸，該接合 環被固定以防止相對於殼體的軸向運動或旋轉運動。
密封組件可包括單一密封件，串列密封件或雙密封件，其中緩衝流體壓力 以高於被密封的過程流體的壓力被供應，從而防止過程流體穿過密封環端面洩 漏。這種機械密封件可從伊利諾斯州莫頓格羅夫的約翰克蘭公司(John Crane Inc., Morton Grove, Illinois )獲取，並在公開號為5， 901, 965和5， 954, 341的 美國專利中公開，其公開內容通過引用被合併於此。本發明為在對公開號為5， 901, 965和5， 954， 341的美國專利中類型的機械密封件的改進。圖1示出傳統(現有技術)的用於在殼體1020和旋轉軸1016之間密封的 固定高溫機械密封組件1010。儘管其它的密封結構，例如雙密封、串列密封或 三密封結構，在現有技術中也已知，但圖1的機械密封組件IOIO具有單一密封 結構。
機械密封組件1010包括連接至殼體1020的壓蓋板1022。機械密封組件 1010進一步包括與旋轉軸1016旋轉地移動的主環1034，和被固定以防止錄: 轉運動的接合環1044。
主環1034和接合環1044限定了有互相嚙合關係的徑向延伸的密封端面 1040和1058。主環1034過盈配合在罩1036中。波紋管1038把罩1036和主環 1034推向接合環1044。
接合環1044包括徑向向外延伸的盤部1046。接合環1044的盤部1046定 位於限定在壓蓋板1022上的環形槽1072內。
由不鏽鋼和柔性石墨形成的螺旋纏繞的副密封件1048也定位於限定在壓 蓋板1022上的環形槽1072中。在安裝位置，螺旋纏繞的副密封件1048位於接 合環1044的盤部1046與殼體1020之間。
一系列軸向延伸的緊固件1028將壓蓋板1022緊固至殼體1020。副密封件 1048和接合環1044的盤部1046在壓蓋板1022和殼體1020之間被軸向地定位。 收緊緊固件1028將副密封件1048和接合環1044的盤部1046軸向夾緊，以將 接合環1044軸向和徑向地緊固。儘管，這種配置能有效地將接合環1044緊固 至壓蓋板1022和殼體1020,但接合環1044的盤部1046上的夾緊力的施加可 使接合環1044的密封端面1058變形。
圖2示出另一傳統(現有技術)的用於殼體1120和旋轉軸1116之間密封 的固定高機械密封組件1110。機械密封組件1110包括連接至殼體1120的壓蓋 板1122。機械密封組件1110進一步包括與旋轉軸1116旋轉地移動的主環1134, 和被固定以防止旋轉運動的4妄合環1144。
主環1134和接合環1144限定了有互相嚙合關係的徑向延伸的密封端面 1140和1158。接合環1144包括徑向向外延伸的盤部1146。接合環1144的盤部1146定 位於限定在壓蓋板1122上的環形槽1172內。
兩個螺旋纏繞的副密封件1148和1149也定位於限定在壓蓋板1122上的環 形槽1172中。在安裝位置， 一螺旋纏繞的副密封件1148位於接合環1144的盤 部1146與殼體1120之間。另 一螺旋纏繞的副密封件1149位於接合環1144的 盤部1146與壓蓋板1122之間。
軸向延伸的緊固件1128將壓蓋板1122緊固至殼體1120。兩個副密封件 1148和1149和接合環1144的盤部1146在壓蓋板1122與殼體1120之間被軸向 地定位，收緊緊固件1128將副密封件1148和接合環1144的盤部1146軸向夾 緊，以將接合環1144軸向和徑向地固定。類似於圖1中的片幾械密封組件1010, 接合環1144的盤部1146上的夾緊力的施加可使接合環1144的密封端面1158 變形。
圖3示出傳統(現有技術)的用於在殼體1220和旋轉軸1216之間密封、 並具有串列密封結構的兩個密封件的固定高機械密封組件1210。機械密封組件
1210包括暗藏於殼體1220中的內側密封件1212,以及外側密封件1214，所 述內向密封件和外側密封件共同作用以相對於殼體1220密封軸1216。機械密 封組件1210進一步包括內側壓蓋板1222、外側壓蓋板1224和壓蓋襯套1226。
內側密封件1212包括與旋轉軸1216旋轉地移動的主環1234，和被固定 以防止旋轉運動的接合環1244。主環1234和接合環1244限定了有互相嚙合關 系的徑向延伸的密封端面1240和1258。接合環1244包括徑向向外延伸的盤部 1246。接合環1244的盤部1246定位於限定在內側壓蓋板1222上的環形槽1272 和限定在壓蓋村套1226中的環形槽1227中。
兩個螺旋纏繞的副密封件1248和1249也定位於限定在內側壓蓋板1222 和壓蓋襯套1226上的環形槽1272和1227中。在安裝位置， 一螺旋纏繞的副密 封件1248位於接合環的盤部1246與內側壓蓋^反1222之間。另一螺;J走纏繞的副 密封件1249位於接合環1244的盤部1246與壓蓋襯套1226之間。
一系列軸向延伸的緊固件1228將兩個壓蓋板1222和1224緊固在一起。兩個副密封件1248和1249和接合環1244的盤部1246軸向定位在內側壓蓋板 1222與壓蓋襯套1226之間。收緊緊固件1228將副密封件1248和1249以及接 合環1244的盤部1246軸向夾緊，以將接合環1244軸向和徑向地緊固。類似於 圖1和圖2中的機械密封組件1010和1110，接合環1244的盤部1246上的夾 緊力的施加可使接合環1244的密封端面1258變形。
從壓蓋板至接合環端面的變形傳遞問題是眾所周知。美國石油研究院 (API)在其第二版的標準682 (參見第36頁、第6丄4.1段和圖21)中禁止使 用夾緊的接合環。本發明消除了這種問題。
機械密封組件中另一問題與系統的壓力反向相關。如果副密封件在徑向上 尺寸不合適，系統壓力反向將會導致副密封件洩漏。因此重要的是將副密封件 配置為保持密封關係。此外，API要求在加壓雙重密封應用中配置3密封件應 設計為在反向壓力操作過程中保持閉合(第49頁，第7.3丄2革爻)。


圖l是傳統(現有技術)的機械密封組件的橫截面圖。
圖2是另一傳統(現有技術)的機械密封組件的橫截面圖。
圖3是具有串列密封結構的傳統(現有技術)的機械密封組件的橫截面圖。
圖4是體現本發明原理的機械密封組件的橫截面圖。
圖5是圖4的機械密封組件的接合環和壓縮環的放大橫截面圖。
圖6是圖4的機械密封組件的接合環和壓縮環的放大橫截面圖，其中顯示
橫截面接合環區域的第二力矩的優選位置。
圖7是體現本發明原理的可選的機械密封組件的橫截面圖，該組件利用彈
簧墊圈和彈性O型環副密封件。
圖8是體現本發明原理的可選的機械密封組件的橫截面圖，該組件利用L
型彈簧。
圖9是體現本發明原理的可選的機械密封組件的橫截面圖，其中來自副密 封件的徑向接觸應力的中心接近#^環的旋轉中心。圖10是體現本發明原理的可選的機械密封組件的橫截面圖，該組件利用由
卡環保持在槽中的金屬球。
圖11是體現本發明原理的推進式密封機械密封組件的橫截面圖。
具體實施例方式
體現本發明原理的機械密封組件的所示實施例消除了接合環上的軸向夾緊 力。這種配置將彈簧的軸向力傳遞至壓縮環，壓縮環依次地導致柔性可壓縮的 密封，從而將徑向密封力施加在接合環上。因此，在安裝後，與現有技術的配 置相比，這些接合環能夠提供極大增強的端面穩定性。這些實施例允許使用高 強度、高溫材料，典型地在精煉廠運用中的嚴格的密封環境裡，該材料具有良 好的抗腐蝕性。
體現本發明原理的所示實施例中的接合環具有雙壓力能力，其可在外徑或 內徑位置以更高壓力運行/阻擋液體。壓力反向能力通過接合環副密封直徑相對 於旋轉密封件的液壓平衡直徑的位置而被提供。
該密封組件可適用於諸如精煉蒸餾單元中在高溫腐蝕環境下工作的泵的應 用中的寬範圍溫度極限。所示實施例的接合環適用於需要獨立、高強度旋轉密
封件的應用。這種應用包括
溫度極限 -100° F至800。 F
壓力極限單層波紋管時300磅平方英寸的壓差(psid),
多層波紋管時，大於300磅平方英寸(psid)(外壓或內壓 能力，並能夠承受反向壓力)。
端面速度極限5,000英尺/分($m)(旋轉配置)
流體特性腐蝕的或非腐蝕的
圖4和圖5例示了根據本發明原理的高溫、金屬波紋管、機械密封組件10。 該機械密封組件包括串列結構的兩個機械端面密封件12和14。旋轉軸16延伸 穿過殼體20的孔(未示出)。機械密封組件10將軸16緊靠殼體20密封，以使 殼體20內的過程流體不滲漏到殼體外的大氣中。由於下述部件為環形，為了方應理解的是，完整的密封組件，在軸16的中 心線或軸線18下方被示出，作為已示的密封組件半部的鏡像。
在圖4中示出的示例性機械密封組件10中，該機械密封組件包括最靠近 殼體20中的受壓流體的內側密封件12，以及外側密封件14。所述密封件共同 作用，在軸16和殼體20之間密封。
術語內側指的是朝向被密封裝置的殼體內的受壓流體。術語外側指的是遠 離被密封裝置中的受壓流體。應注意的是，描述實施例所使用的術語軸向的和 軸向地指的是縱向地沿軸16的軸線18。描述實施例所使用的術語徑向的和徑 向地指的是在與軸16的軸線18大致垂直的平面中朝向和遠離該軸線。
內側和外側密封件12和14為串列結構。在仍利用本發明的原理時，還可 用其它的密封結構替代。例如，密封結構可為單一、雙重或三重密封。
機械密封組件IO包括限定密封組件固定部分的一系列壓蓋板。它們限定 了圍繞所述軸的環形密封腔23。
壓蓋板被緊固至泵或者密封組件為其容納流體的其它設備的的殼體。壓蓋 板為設備的殼體部件的延伸部。還有被包括在設備殼體與壓蓋板之間的中間殼 體。
在圖4的實施例中，密封組件包括與殼體20相連的內側壓蓋4反22和外側 壓蓋板24。壓蓋襯套26徑向位於壓蓋板22和24以內。該壓蓋襯套^皮鎖於內 側和外側壓蓋板上的軸向止擋部27之間。其未被軸向地夾緊。也就是說，其軸 向長度小於止擋部之間的軸向距離。
諸如螺栓28的軸向延伸緊固件被用於將壓蓋板22和24緊固在一起，並將 其緊固至殼體20。
內側壓蓋板22包括徑向向內延伸的壓蓋唇緣66。其限定徑向定向的環 形密封表面68。其還限定徑向定向的環形壓縮表面76和軸向延伸的柱形表面 74。壓蓋襯套26包括徑向定向的環形偏置接觸表面77。
內側密封件12和外側密封件14位於密封腔23中，並在軸16和壓蓋板22、 24以及壓蓋襯套26之間。
10軸套30被固定至軸16,並限定密封組件的旋轉構件，並支撐密封組件的 旋轉部件。軸套30軸向延伸到大氣中。內側密封件12包括固定至軸套30 的主環組件32。主環組件32包括主環34，和與主環34過盈配合的外殼36。 波紋管38被焊接至外殼36，並向外偏壓或緊壓主環34。主環34限定徑向延伸 的密封端面40。
內側密封件12進一步包括被固定以防止相對於壓蓋板旋轉運動的接合環 組件42。如圖5詳細所示，接合環組件42包括接合環44、壓縮環46、以柔 性石墨副密封件或填料48為形式的柔性壓縮件、徑向扁平襯墊50,以及以彈 簧52為形式的偏置構件，彈簧52將壓縮環46朝內側壓蓋板22的壓蓋唇緣66 的徑向定向的環形壓縮表面76偏置或緊壓。
接合環44包括徑向延伸的法蘭部54，和軸向延伸的環形套筒部56。接 合環44的法蘭部54限定與主環34的密封端面40接合的徑向延伸的密封端面 58。波紋管38緊壓密封端面40和58使其具有相對旋轉密封關係。
接合環44的套筒部56限定軸向延伸的外柱形密封表面60。固定至壓蓋板 22的徑向延伸銷62於形成在接合環44的法蘭部54的外直徑處的槽64中接合 接合環44。旋轉力由旋轉端面40與固定端面58之間的摩擦力形成的施加扭矩 產生。銷62防止接合環44相對於壓蓋板62的旋轉。
可為柔性石墨環的徑向扁平襯墊50，位於內側壓蓋板22的壓蓋唇緣66的 徑向延伸密封表面68與接合環44的徑向延伸表面70之間。扁平襯墊50用於 消除接合環44的法蘭部與壓蓋唇緣66之間的直接接觸，從而防止在壓蓋唇緣 表面68上或在與密封端面58相對的接合環表面70上存在任何不滿足扁平條件 (out-of-flat conditions)的變形。扁平襯墊50並不用作副密封件，^旦如果其確實 提供密封功能，其也不會改變本發明的運行。
壓縮環46位於由壓蓋板22的徑向定向環形壓縮表面76與軸向延伸的柱形 表面74所限定的環形槽72中。壓縮環46限定向內徑向延伸表面78、軸向延 伸的外表面80以及軸向延伸的內表面82。壓縮環46的徑向延伸表面78緊鄰 但隔開內側壓蓋板22的徑向定向環形壓縮表面76。壓縮環46的軸向延伸的外表面80緊鄰內側壓蓋板22的軸向延伸表面74,並徑向地在其以內。壓縮環46 的軸向延伸的內表面82緊鄰並隔開接合環44的軸向延伸的外柱形表面60。軸 向表面80和82的直徑尺寸使壓縮環46相對於壓蓋板22和接合環44的軸向延 伸的環形套筒部56能軸向地移動。
壓縮環46進一步限定環形槽84。壓縮環槽84由軸向延伸的柱形限制或壓 縮表面85與徑向定向的環形壓縮表面83所限定。環46還包括徑向定向的環形 偏置接觸表面87。
柔性副密封件48定位於壓縮環46的環形槽84中。在其安裝位置，柔性副 密封件48圍繞接合環44的軸向延伸的套筒部56的柱形表面60。柔性副密封 件48被設置在壓蓋唇緣66的徑向定向的環形壓縮表面76與壓縮環46的向內 徑向定向的壓縮表面85之間。
如圖4和圖5所示，機械密封組件10利用由設置在壓縮環46的向外徑向 定向的環形偏置接觸表面87與壓蓋村套26的徑向定向的環形偏置接觸表面77 之間的彈簧52所施加的軸向負載，以將柔性石墨副密封件48壓縮緊靠內側壓 蓋板22的壓蓋唇緣66的徑向定向的環形壓縮表面76。所述彈簧負載通過壓縮 環46糹皮傳遞至柔性石墨副密封件48。壓縮環46沿副密封件48的外直徑處的 軸向延伸表面85和壓縮環46的徑向定向的壓縮表面83接觸柔性石墨副密封件 48。由彈簧52提供的軸向負載，施力使柔性石墨副密封件48密封接觸內側壓 蓋板22的徑向定向表面76。另外，柔性石墨副密封件48上的軸向力在柔性石 墨副密封件48與接合環44之間形成徑向力。該徑向負載施力使柔性石墨副密 封件48密封接觸接合環44的軸向延伸的環形部56的外柱形表面60。因此， 軸向彈簧力通過壓縮環46和柔性石墨副密封件48而其作用，在內側壓蓋板22 的唇緣66上形成了軸向負載，並且在接合環44上形成了徑向力，並且在表面 76和60上產生了足夠的接觸壓力(Pcon)，以密封施加的流體壓力。
可能的是，由柔性石墨副密封件48施加在接合環44上的徑向力還可足以 抵抗密封端面40和58處的施加扭矩。如果能產生足夠的力，將不需要諸如銷 62的抗旋轉裝置。彈簧52還用於容納累積的部件公差。該公差的累積在總體設計中是主要需 要考慮的事項。除了其他部件外，柔性石墨副密封件48的大公差由於過大，從 而不能允許剛性部件來控制施加於柔性石墨副密封件48的軸向力。彈簧52還 被設計為在最大空腔條件下提供在所有密封表面上產生最小的Pcon所必須的 軸向力。另外，其在最小空腔條件下提供受控的最大力。
彈簧材料還需要與環境兼容，並具有適當的材料性能以控制用於可利用空 間的負載。典型地，高強度、高溫、時效硬化的鎳合金被用作彈簧材料。4各鎳 鐵合金(Inconel) 718為合適的材料。
高溫接合環需要使用高溫副密封件來密封產品或阻擋液體，以防止接合環 與壓蓋板之間的到大氣的洩漏。最常用於該副密封件48的材料為柔性石墨，模 鍛環。這些環由柔性石墨帶所製成，所述帶巻繞成所述帶的寬度的環狀環並淨皮 壓縮成模鍛環。
這些副密封件需要施加力來實現密封。由於模壓成形處理不產生具有一致 材料和物理性質(即，密度、泊松比、力/變形行為)的環，因此在不同壓力時 用於密封所需的外加力難以預測。可執行經驗性試驗，從而確定適於具有給定 幾何形狀和密度的柔性石墨環的臨界特性。根據此數據，荷載變形行為可^l預 測。例如，徑向力可被確定為給定的施加軸向力，和密封給定產品壓力所需的 Pcon。
示出實施例的配置消除了在其它更傳統設計中的直接施加在接合環44上 的夾緊力。彈簧52提供的軸向力將副密封件48緊靠內側壓蓋板22的壓蓋唇緣 66的徑向延伸表面76。沒有軸向力直接施加在接合環44上，從而消除由非軸 對稱應力(即壓蓋螺栓應力)造成的端面變形的傳遞。
壓縮環46用於容納在限定了槽84的兩個表面83和85上的柔性石墨副密 封件48。壓縮環46用於將彈簧軸向力傳遞至柔性石墨副密封件48，使其與密 封接觸內側壓蓋板22上的徑向定向的環形壓縮表面76。另外，壓縮環46在其 直徑處容納柔性石墨副密封件48，並施力使柔性石墨副密封件48徑向向內與 接合環44的外柱形表面60密封接觸。如圖4和圖5所示的機械密封組件10,能夠最小化或消除端面變形，該端 面變形是由於接合環與壓蓋之間的熱膨脹係數(CTE)的不同，由沿軸向延伸 的副密封表面的徑向接觸壓力的鬆弛造成的(如同多數傳統設計)。這可通過l吏 壓縮環46由與形成接合環44和內側壓蓋板22的材料類似的材料，或具有類似 CTE的材料形成而實現。壓縮環46僅接觸副密封件48和彈簧52。兼容材料的 組合在副密封件48上形成不變的軸向擠壓，而與溫度無關。優選的是，壓縮環 46和接合環44由相同的材料製成。如果壓縮環46和接合環44由不同的材剩-(即具有不同CTE的材料)支撐，由於材料需要兼容，任何一種材料的CTE 不應大於另一材料的CTE的兩倍(2X)。 一種這樣的兼容材料組合可以是，接 合環44由固態碳化矽或,l/碳化矽的複合物形成，且壓縮環46由固態碳化石圭形 成。通過選擇適於接合環44和壓縮環46的類似的材料結構，即使出現具有不 同CTE的不同材料，溫度的改變也不會影響柔性石墨副密封件徑向腔。隨著溫 度改變，副密封件48的受控徑向腔，允許接合環密封端面58保持平坦。所需 最小的徑向接觸壓力(Pcon)被保持，而不管溫度怎樣。
通過選擇適於具有緊密配合CTE的接合環44和壓縮環46的材料結構，副 密封件48上的理想徑向擠壓可在廣泛的操作溫度範圍內保持。 一旦預加載和裝 配了彈簧52,因為腔的尺寸不會由於相對的熱生長而改變，所以相對於溫度變 化的恆力透過柔性石墨副密封件48被傳遞至壓蓋唇緣66和接合環44。接合環 44並不直接接觸內側壓蓋板22。在接合環44與壓縮環46之間以及在壓縮環 46與內側壓蓋板22之間有間隙。接合環44僅接觸柔性石墨副密封件48和扁 平襯墊50。
接合環44通過柔性石墨副密封件48與接合環44的柱形外表面60之間的 摩擦而被保持在適當的位置，並由接合環44與壓蓋唇緣66之間的扁平襯墊50 所支撐。由彈簧52提供在壓縮環46上的軸向負載沿軸向和徑向控制Pcon。最 小的軸向負載根據經驗確定，以使柔性石墨副密封件48具有用於密封所有密封 表面(徑向和軸向)所需的最小Pcon。彈簧52被設計為在最大腔尺寸時提供 最小的負載，以及在最小腔尺寸時提供受控的最大負載。
14由於壓蓋緊固件28通過內側壓蓋板22傳遞至接合環44的夾緊力被消除。 副密封件48通過彈簧52沿軸向施力緊靠壓蓋唇緣66。彈簧52被設計為提供 最小的力，從而在整個操作溫度範圍內密封外加壓力(軸向上和徑向上)，並容 納部件的公差累積。
來自彈簧52提供的軸向力的合成軸向力緊壓副密封件48，以沿接近波紋 管平均有效直徑，或平衡直徑與接合環44相密封接觸。通過最小化用於使接合 環移動或移位的壓力，將接合環密封直徑選擇為接近平衡直徑允許了外或內壓 力的操作。接合環上的力的自由體分析顯示，所述力處於平衡狀態(即，接合 環在外直徑或內直徑受壓時在壓蓋唇緣66處保持抵靠扁平襯塾50 )。
機械密封組件10能夠具有雙重壓力操作(即外壓或內壓)。通過將接合環 的密封直徑接近波紋管平均有效直徑，壓力被視為"平衡"，從而允許接合環在 外壓和內壓時對扁平襯墊和壓蓋唇緣具有;f鼓小的淨正向固定力。
在此實施例中，接合環44的密封直徑Ds為外柱形表面60的直徑。其被 設計為如圖4所示的接近波紋管38的平均有效直徑EDz。波紋管的有效直徑或 "ED，，為假想直徑，外加壓力有效穿透該直徑，從而在密封件上施加閉合力。 這類似於推進式密封件的"平衡直徑"。該平均有效直徑為密封環上施加零壓差 時的理論有效直徑，其可被視為波紋管中心外直徑和內直徑的算數平均。優選 地，接合環密封直徑Ds在零壓差時為在波紋管的有效直徑EDz的正負10%(+10 %和-10% )的範圍內。更優選地，接合環密封直徑Ds在零壓差時為波紋管 的有效直徑EDz的+6 %和-6 %的範圍內。
優選的是，如圖6所示，橫截面接合環區域相對於重心軸線18的第二力矩 MI(慣性運動)接近柔性石墨密封件所致壓力CP的中心。特別地，優選的是， lA/BI的比小於或等於0.4,其中A為從石墨密封件48所致壓力CP的中心至橫 截面接合環區域相對於重心軸線的第二力矩MI的軸向距離，且B為接合環44 的總軸向長度。更優選的是，iA/BI的比大於或等於0.28且小於或等於0.38。
圖7例示出可選的機械密封組件110,其運用彈性0型環副密封件48替代 了柔性石墨副密封環，並運用一可選的彈性襯墊152。壓縮環146類似於圖4所示實施例的壓縮環46,但包括指向壓蓋襯套126的軸向延伸4侖糹彖147。壓蓋 襯套126類似於圖4所示實施例的壓蓋襯套26，但包括指向壓縮環146的軸向 延伸輪緣127。彈簧襯墊152與壓縮環146和壓蓋襯套126的軸向延伸4侖緣147 和127共同將壓縮環146偏置或緊壓壓蓋唇緣66朝向內側壓蓋板22。
圖8示出了類似圖7所示的機械密封組件110的機械密封組件210,但其 利用具有L形橫截面的彈簧252。圖8所示的機械密封組件210的壓蓋襯套26 包括軸向延伸輪緣227。 L形彈簧252與壓蓋襯套26的軸向延伸輪緣227共同 將壓縮環146偏置或緊壓壓蓋唇緣66朝向內側壓蓋板22。
圖9示出了可選的機械密封組件310，其將徑向接觸應力386的中心從副 密封件48定位為接近接合環344的橫截面重心388。圖9所示的機械密封組件 310類似於圖4所示的機械密封組件10，但接合環344包括徑向向內延伸部355, 其具有的軸向長度近似等於接合環的徑向向外延伸法蘭部354的長度。該4妻合 環幾何形狀提供了由外加應力所致的最低可能性的變形。接合環設計通過^f吏副 密封件48的接觸區域接近橫截面重心388,從而關於重心/旋轉中心具有接近零 的淨力矩。然而，僅當在更大徑向橫截面的設備中具有足夠的徑向空間時才能 成為可能。
圖10示出了可選的機械密封組件410,其利用由卡環463保持在槽中的金 屬球462。圖9所示的機械密封組件410類似於圖4所示的機械密封組件10, 但利用由卡環463保持在槽464中的金屬球462，而不是銷，從而將接合環444 旋轉地固定到內側壓蓋板422。限定槽464的內側壓蓋板422的凹口 423和接 合環444的凹口 445在周界上不連續。相反，內側壓蓋板422包括中斷內側壓 蓋板凹口 423的周界連續性的徑向向內延伸肋(未示出)，且接合環444包括中 斷接合環凹口 445的周界連續性的徑向向外延伸肋(未示出)。隨著接合環444 相對於內側壓蓋板422旋轉，球462接合內側壓蓋板422的肋和接合環444的 肋，從而防止接合環444相對於內側壓蓋板422的進一步旋轉運動。
圖11示出體現本發明原理的推進式密封型機械密封組件510。圖10所示 的機械密封組件510的接合環組件42與圖4所示的機械密封組件10的接合環組件42相同。機械密封組件510和IO的不同在於主環組件。圖IO所示的主環 組件532為推進式密封類型。不是使用波紋管，推進式密封型主環組件510包 括定位在保持件590的腔592中的螺旋彈簧538。副密封件由0型環594提供， 其將主環534與軸530密封。圖10所示類型的主環組件532進一步詳細地描述 在一般轉讓的美國專利No.5,529，315中，其公開內容通過引用合併於此。類似 於圖4所示的機械密封組件IO，接合環44的密封直徑Ds被設計為接近O型環 的平衡直徑EDz。 O型環594的平衡直徑類似於金屬波紋管類型密封件在零壓 差時的波紋管的有效直徑。優選地，接合環密封直徑Ds在O型環的平衡直徑 EDz的正負10% (+10%和-10% )的範圍之內。更優選地，接合環密封直徑 Ds在O型環的平衡直徑EDz的+6%和-6%的範圍之內。
本發明的各種原理已參照所示和所述的實施例進行了說明。但應理解的是， 在不背離由所附權利要求書限定的本發明的精神和範圍的情況下，可進行各種 修改。
權利要求
1. 一種在殼體與旋轉軸之間提供流體緊密封的密封組件，所述密封組件包括殼體部件，其限定圍繞所述軸的環形密封腔，所述殼體部件限定徑向定向的環形壓縮表面，以及與所述徑向定向的環形壓縮表面隔開的徑向定向的環形偏置接觸表面；能軸向移動的主環，其能與所述軸一起旋轉，並限定徑向定向的環形密封端面；接合環，其被固定以防止相對於所述殼體部件旋轉，並限定徑向定向的環形密封端面，所述接合環的所述密封端面限定相對可旋轉的密封交界面，所述接合環包括軸向延伸的環形部分，該環形部分限定徑向設置在所述殼體部件的所述徑向定向表面以內的外柱形表面；環形壓縮環，其設置在所述殼體部件的所述徑向定向表面之間，並且所述環形壓縮環包括徑向定向的壓縮表面和徑向定向的偏置接觸表面；環形柔性壓縮件，其設置在所述殼體部件的所述徑向定向的環形壓縮表面與所述壓縮環構件的所述徑向定向的環形壓縮表面之間；以及偏置構件，其設置在所述殼體部件的所述徑向定向的環形偏置接觸表面與所述壓縮環的所述徑向定向的環形偏置接觸表面之間；所述偏置構件朝向所述殼體部件的所述徑向定向的環形壓縮表面緊壓所述壓縮環，以軸向地壓縮所述柔性壓縮件，並緊壓所述柔性壓縮件徑向地接觸所述接合環的所述軸向延伸的環形部分的所述外柱形密封表面。
2. 如權利要求1所述的密封組件，其中所述壓縮環包括與所述徑向 定向的環形壓縮表面一起形成環形槽的軸向延伸的柱形限制表面，且所述環 形柔性壓縮件被設置在所述槽中，並被徑向壓縮在所述軸向延伸的柱形限制 表面與所述接合環的所述軸向延伸的環形部分的所述外柱形表面之間。
3. 如權利要求1或2所述的密封組件，其中所述殼體部件包括至少一個壓蓋板，且所述至少一個壓蓋板包括所述徑向定向的環形壓縮表面。
4. 如權利要求3所述的密封組件，其中所述殼體部件包括內側壓蓋 板、外側壓蓋板和壓蓋襯套，所述內側壓蓋板包括所述徑向定向的環形壓縮 表面，且所述壓蓋襯套包括所述徑向定向的環形偏置接觸表面。
5. 如權利要求1所述的密封組件，其中所述壓縮環包括與所述接合 環的所述外柱形表面隔開並將其圍繞的向內軸向延伸的內表面。
6. 如權利要求1所述的密封組件，其中所述偏置構件包括具有Z形橫 截面的彈簧。
7. 如權利要求1所述的密封組件，其中所述偏置構件包括具有L形橫 截面的彈簧，並且所述壓蓋板和所述壓縮環其中一個包括朝所述彈簧軸向延伸的輪緣。
8. 如權利要求1所述的密封組件，其中所述偏置構件包括彈簧，該彈 簧包括彈簧墊圈，並且所述壓蓋板和所述壓縮環均包括朝所述彈簧軸向延伸 的輪緣。
9. 如權利要求2所述的密封組件，其中所述柔性壓縮件由柔性石墨形成。
10. 如權利要求2所述的密封組件，其中所述柔性壓縮件由彈性體形成。
11. 如權利要求6所述的密封組件，其中IA/BI的比值小於或等於0.4, 其中A為從由所述柔性壓縮件造成的壓力的中心到橫截面接合環區域的相 對於重心軸線的第二力矩的軸向距離，B為所述接合環的總軸向長度。
12. 如權利要求11所述的密封組件，其中所述iA/BI的比值大於或等於 0.28且小於或等於0.38。
13. 如權利要求1所述的密封組件，其中所述密封組件進一步包括軸向 定位於所迷接合環與所述壓蓋板之間的徑向扁平襯墊。
14. 如權利要求13所述的密封組件，其中所述徑向扁平襯墊由柔性石 墨製成。
15. 如權利要求1所述的密封組件，其中形成所述壓縮環的材料的熱膨脹係數小於形成所述接合環的材料的熱膨脹係數的兩倍。
16. 如權利要求15所述的密封組件，其中形成所述接合環的材料的熱 膨脹係數小於形成所述壓縮環的材料的熱膨脹係數的兩倍。
17. 如權利要求1所述的密封組件，其中所述壓縮環由碳化矽形成，且 所述接合環由碳、碳化矽的複合物形成。
18. 如權利要求1所述的密封組件，其中形成所述壓縮環的材料與形成 所述接合環的材料相同。
19. 如權利要求18所述的密封組件，其中所述壓縮環和所述接合環由 碳化矽形成。
20. 如權利要求1所述的密封組件，其中所述密封組件進一步包括緊 壓所述主環朝向所述接合環的波紋管。
21. 如權利要求20所述的密封組件，所述波紋管限定在所述主環上施 加零壓差時的有效直徑，並且所述接合環的所述外柱形外表面的直徑在零壓 差時所述波紋管的所述有效直徑的+ 10 %和-10 %的範圍之內。
22. 如權利要求20所述的密封組件，其中所述接合環的所述外柱形表 面的直徑在零壓差時所述波紋管的所述有效直徑的+6%和- 6%的範圍之 內。
23. 如權利要求6所述的密封組件，其中所述彈簧由鉻鎳鐵合金718製成。
24. 如權利要求7所述的密封組件，其中所述彈簧由鉻鎳鐵合金718製成。
25. 如權利要求8所述的密封組件，其中所述彈簧墊圏由鉻鎳鐵合金 718製成。
26. 如權利要求9所述的密封組件，其中所述柔性壓縮件為由巻繞的柔 性石墨帶形成的模鍛環。
全文摘要
一種用於在殼體部件(20)與旋轉軸(66)之間密封的密封組件(10)。該密封組件包括限定密封交界面的一對相對旋轉環(34，44)。一個環(44)相對於殼體部件固定。柔性壓縮密封件(48)軸向壓縮在殼體部件與軸向移動的偏置壓縮環(46)之間，以緊壓其與所述固定環上的柱形表面相徑向壓縮密封接觸。
文檔編號F16J15/38GK101438085SQ200780016400
公開日2009年5月20日 申請日期2007年4月6日 優先權日2006年4月6日
發明者丹尼爾·菲舍爾, 大衛·P·卡蘇奇 申請人:約翰克蘭公司