平衡式機械密封裝置的制作方法

專利名稱：平衡式機械密封裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種平衡式機械密封裝置，特別涉及一種雙平衡式機械密封裝置，用于提供轉動軸和固定殼體之間的密封。
背景技術：
常規的機械密封裝置應用于多種機械設備，以便在轉動軸和靜止殼體之間提供壓力密閉和液密性密封。這種密封裝置通常繞轉動軸設置，轉動軸安裝在靜止殼體內并由靜止殼體伸出。這種密封裝置通常在軸的出口處通過螺栓固定至殼體上，從而防止加壓作用流體從殼體泄漏。常規的機械密封裝置包括表面式機械密封裝置，其包括一對繞軸同心設置并軸向相互隔離開的環形密封環。這些密封環每個均具有被偏壓形成物理接觸的密封面。通常，一個密封環保持靜止，而另一個密封環與軸接觸并隨之轉動。相對轉動、接觸的密封面沿轉動軸隔離開并密封加壓流體，即作用流體。通過偏壓密封環的密封面以使其形成物理接觸，密封裝置能夠防止被壓流體泄漏到外部環境。
為了冷卻密封裝置并有助于防止作用流體通過密封面，通常將第二加壓流體(即阻擋流體)導引至與作用流體接觸相反的密封面側面上的密封件。彈簧通常將密封面偏壓在一起。在平衡式密封結構中，也使加壓流體作用于與密封面相對的限定在密封件側面上的活塞區，以有助于閉合密封面。這種關系能夠使密封面的摩擦接觸所產生的熱量降至最低，同時，密封面上保持足夠高的以確保適當密封的閉合力。同時還期望使密封面之間的接觸面積靜止最小，以便當密封面彼此相對轉動時使產生的熱量降至最小。另外，當采用阻擋流體時，采用了一種雙重密封結構，在該結構中，利用相對轉動阻擋流體任一側上的密封面，將作用流體限定在密封裝置的一端，將阻擋流體限定在密封裝置的中心。
在一種現有技術中的雙平衡式密封裝置中，兩種流體都具有通向與密封面相對的密封件的后部，并且，通過提供可在密封件的各個密封面之后的O型環凹槽中滑動的O型環，可獲得理想的活塞面積與密封面接觸面積的平衡比。因此，O型環在凹槽中滑動，以允許由具有最高壓力的流體產生的流體壓力作用于與密封面相對的密封件側面上的適當活塞區。可以將彈簧設置在密封面任一側上的密封裝置內，并且，可以使其受到作用流體和/或阻擋流體的作用。
現有技術中的雙平衡式密封組件具有明顯的缺點。首先，現有技術中的雙平衡式密封裝置的活塞區取決于O型環的尺寸和結構。由于O型環的內徑和外徑限定了各種流體的平衡壓力點，因此，密封面的徑向接觸尺寸必須足夠大以證明O型環的厚度。這樣便限制了希望最小接觸面積來降低熱量生成的密封面的設計。
現有技術中的雙平衡式密封組件的另一個缺點雙平衡式密封裝置在反向壓力狀態下不能有效運轉。在反向壓力狀態下，O型環在其凹槽中滑動以實現密封。此外，較臟且含有污染物的作用流體會導致滑動O型環的界面沾染上污垢或其它顆粒，從而隨時間流逝導致磨損和O型環的堵塞，以致對密封性能造成負面影響。

發明內容
本發明提供了一種機械密封裝置，其用于在轉動軸和靜止殼體之間提供液密性密封。機械密封裝置包括第一對可相對轉動的環形密封件，其用于密封并隔離作用流體和阻擋流體。第一對可相對轉動的環形密封件包括一個具有旋轉密封面的第一可轉動的密封環以及一個具有與旋轉密封面接合的靜止密封面的第一靜止密封環。第一對密封件還包括在第一密封件后側上的大致徑向延伸的活塞區，其用于通過壓力將密封面偏壓在一起。活塞區至少局部由一與可轉動的密封環相連的可動滑閘部件和一套筒限定，該套筒又與轉動軸相連。在正常操作狀態下，當作用流體壓力大于阻擋流體壓力時，作用流體在可轉動的密封環的第一活塞區A上施加壓力，以便將密封面偏壓在一起。在反向操作壓力狀態下，當阻擋流體壓力大于作用流體壓力時，阻擋流體在可轉動的密封環的第二活塞區(如活塞區B)上施加壓力，以便將密封面偏壓在一起。活塞區小于密封面的整個接觸面。第一活塞區與第二活塞區的尺寸基本相等，以便在標準(正)和反向(負)壓力狀態下，提供一種用于操作的平衡式密封結構。
機械密封裝置還可包括第二對環形密封件，其用于在阻擋流體和空氣之間提供第二級密封，并在它們之間限定了第二對環形徑向延伸的相對的密封面。第二對密封件在第二密封件后側上包括一對與用于將密封面偏壓在一起的密封面相對的第二活塞區。
本發明的機械密封裝置可包括一個套筒，第一和第二對可相對轉動的密封件，這些密封件在其間具有朝前的第一和第二徑向延伸的相對密封面。密封面可在預定的接觸區域內彼此接觸。套筒在其一端部具有一個凸緣，以便限定可動滑閘部件的止動件。每對密封件的可轉動的密封環均組裝在套筒上，以與其一起轉動。另一個或靜止密封環適于與靜止構件相連。可動滑閘部件置于套筒凸緣的頂面和第一可轉動的內側密封件上，并響應于壓力狀態的變化在不同位置之間滑動以限定兩個可能的活塞區中的一個活塞區。當作用流體壓力大于阻擋流體壓力時，即當機械密封裝置在標準或正壓力狀態下操作時，滑閘部件滑向形成在套筒上的滑閘止動件，從而限定一個受作用流體影響的第一活塞區A。當阻擋流體壓力大于作用流體壓力時，即當密封裝置在反向或負壓力狀態下操作時，滑閘件滑向第一可轉動的密封件，從而限定一個受阻擋流體影響的第二活塞區B。作用流體和阻擋流體在密封面上產生閉合力以保持它們之間彼此接觸。
最好，本發明的密封裝置在與密封面相對的可轉動的密封件的側面上提供了固定的預定活塞區，以便在變化的壓力條件下，甚至是在反向壓力條件下，在密封面上提供預定且可預測的閉合力。雖然使一個活塞區僅受一種流體的作用，但是，本發明也可采用其它的結構。此外，在不由限定平衡壓力點的O型環尺寸產生任何限制的情況下，可以使密封面的接觸面積達到最佳。因為可以設計具有較小接觸面積的密封面，所以可以使在密封裝置工作中產生的熱量降至最小。另外，為了施加用以閉合密封面的壓力，可動部件滑過不接觸骯臟的作用流體的密封裝置的界面，因此不易產生堵塞或節流。
根據本發明的一個方面，提供了一種機械密封裝置，其用于安裝至裝有一轉動軸的殼體上。機械密封裝置包括一個密封套，一具有旋轉密封面的可轉動的密封環，一具有接合旋轉密封面的靜止密封面的靜止密封環，和一個相對于可轉動的密封環和靜止密封環中的一個定位的滑閘部件。滑閘部件可響應機械密封裝置內壓力狀態的變化，沿軸向在第一位置和第二位置之間移動。當處于第一位置并受第一壓力狀態影響時，滑閘部件被安置成與一個密封環的非密封面相鄰。當處于第二位置且受與第一壓力狀態不同的第二壓力狀態影響時，滑閘部件沿軸向與密封環的非密封面隔離開。
根據本發明的另一個方面，提供了一種將機械密封裝置安裝到容納有一轉動軸的殼體上的方法。機械密封裝置包括一個密封套，至少一對密封件，其至少局部設置在密封套內，所述密封件包括一個具有旋轉密封面的可轉動的密封環和一個具有接合旋轉密封面的靜止密封面的靜止密封環，以及一個相對于可轉動的密封環和靜止密封環中一個設置的滑閘部件。該方法包括響應機械密封裝置內壓力狀態的變化，使移動滑閘部件沿軸向在第一位置和第二位置之間運動。當處于第一位置并受第一壓力狀態影響時，滑閘部件被安置成與一個密封環的非密封面相鄰，而當受不同于第一壓力狀態的第二壓力狀態影響時，滑閘部件在處于第二位置處時沿軸向與密封環的非密封面軸向隔離開。
通過以下對優選實施例的描述以及權利要求，能夠理解本發明的其它特征和優點。


圖1A為本發明一個說明性實施例的機械密封裝置的剖面圖，其中，密封裝置中的作用流體的壓力大于阻擋流體的壓力，即正向或者標準壓力狀態。
圖1B為圖1A中密封裝置的剖面圖，其中，阻擋流體的壓力大于作用流體的壓力，即反向或負的壓力狀態。
圖2A為圖1A的剖面圖的一部分的局部放大視圖。
圖2B為圖1B的橫剖視圖的一部分的局部放大視圖。
圖3A為本發明另一實施例的機械密封裝置的剖面圖，其中，密封裝置中的作用流體的壓力大于阻擋流體的壓力，即處于正向或標準壓力狀態。
圖3B為圖3A中密封裝置的剖面圖，其中，阻擋流體的壓力大于作用流體的壓力，即處于反向或負的壓力狀態。
圖4A為本發明中另一實施例的機械密封裝置的剖面圖，其中，密封裝置中的作用流體的壓力大于阻擋流體的壓力。
圖4B為圖4A中機械密封裝置的剖面圖，其中，阻擋流體的壓力大于作用流體的壓力。
圖5為本發明中機械密封裝置的另一實施例的剖視側視圖，其具有一個設置成與靜止密封環相鄰的滑閘部件。
具體實施例方式
本發明提供了一種安裝到裝有一轉動軸的固定殼體上的機械密封裝置。將內側密封裝置的第一密封環設置為雙平衡式，以便在不損失閉合力的情況下允許壓力變向。下面，將參照說明性實施例對本發明進行說明。本領域技術人員應理解可以以多種不同應用和實施例實施本發明，并且，本發明不局限應于此處所描述的特定實施例。
此處所使用的術語“作用介質”和“作用流體”通常指穿過殼體的介質或流體。在泵的應用中，例如，作用介質是指泵送通過泵室的流體。
此處所使用的術語“軸向”指大致平行于軸線的方向。術語“徑向”指與軸線大致垂直或正交的方向。
此處所使用的術語“滑閘部件”指包括任何適合于在機械密封裝置內的多個位置之間沿軸向、徑向或者這兩個方向運動的構件，這些構件用以將適當的閉合壓力施加至受不同壓力條件(正和/或負壓力條件)作用的一個或多個密封環上，以有助于保持密封面的密封接合。滑閘部件可構造成容納用于密封一種或多種密封流體的一個或多個密封件，或者如果需要也可不裝有密封件。根據一優選實施例，此處所用和限定的滑閘部件不意味著涉及只包含一個O型環的部件或裝置。雖然此處公開了不同的實施例，但是，滑閘部件可采用多種不同形式的結構。例如，本領域技術人員根據本發明的啟示，在考慮了密封裝置內的一種或多種壓力狀態，密封裝置的類型，密封環的類型、數量、結構和位置，應用類型及各種其它事項時，可以形成或提供一種合適的滑閘部件結構。本領域技術人員還應認識到可以使滑閘部件位于不同位置處，并且可以不必設置成與可轉動的密封環相鄰。例如，可以將滑閘部件設置成與靜止密封環相鄰。滑閘部件也可包括一個或多個部件或構件，因此，其能夠組成一個組件或一個組件的一部分。并非組件的所有部件均必須是可移動的。
此處所使用的術語“機械密封裝置”是指包括各種機械密封裝置，這些密封裝置包括一個密封裝置，開口密封裝置，串聯或雙重密封裝置，氣體密封裝置，螺旋式密封裝置及其它的密封類型和構造。
此處所使用的術語“密封套”是指包括任何適當的構件，這些構件在至少局部包圍或容納一個或多個密封件時能夠實現、有助于或協助將機械密封裝置固定在殼體上。如果需要，密封套也可提供通向機械密封裝置中的流體入口。
參見附圖，特別是圖1A和1B，本發明中一個說明性實施例的機械密封裝置10同心安裝在泵軸12上，并通過穿過螺栓接片38的螺栓(未示出)固定到泵殼體14上。軸12沿第一軸線13延伸。機械密封裝置10局部延伸至泵殼體14的填料箱18內。機械密封裝置10的結構應能在殼體14和軸12之間提供流體密封，從而阻止加壓作用流體19由殼體14漏出。流體密封主要是由形成了第一或內部密封的第一對密封件或成對的內部主密封件實現的，所述密封件包括一個可轉動的密封環42和一個靜止密封環54，每個密封環均具有一個徑向延伸的拱形密封面46和58。如下文將更詳細描述的那樣，將內部主密封件的密封面46和58偏壓至彼此密封的關系或將它們偏壓至彼此接合。形成第二或外部密封的第二對或成對的外部主密封件包括密封環42’和54’。所述密封環沿軸向與第一對可相對轉動的密封件42和54隔離開。第二密封環42’和54’具有密封面46’和58’，這些密封面被偏壓至彼此密封以提供輔助密封。第一對和第二對主密封件形成雙重或串聯式機械密封裝置。美國專利號5,213,340，5,333,882和5,203,575披露了常規串聯式密封裝置的例子，其內容包含在此處參考使用。如下文將詳細描述的那樣，各個密封面形成了可以在多種操作條件和多種服務范圍下可操作的液密性密封。
根據另一實施例，可以將一個或多個密封環42，42’，54，54’分成多個密封環區段，根據已知技術，這些密封環區段具有被彼此偏壓至密封關系的分段密封面。
所示出的機械密封裝置10包括一個可轉動接合到軸12上的套筒20，并裝有機械裝置10的旋轉部件。在套筒20的軸向內側端部(即插入填料箱18的端部)處，形成在套筒22內周上的第一凹槽22接收第一密封件(如O型環24)，其設置在軸12附近以防止作用流體在套筒20和軸12之間從泵流出。第二密封件，如O型環78，設置在第二凹槽76中，該凹槽沿軸向向外與套筒20內周上的第一凹槽22隔離開，并朝向機械密封裝置的外端部，以防止套筒20和軸12之間的阻擋流體泄漏。套筒20在其具有徑向延伸面或壁28的內側端處具有一個凸緣26。該凸緣可與套筒一體成形或可以被設置成一個獨立件。可動滑閘部件27和滑閘止動件29設置、覆蓋在套筒20的凸緣部分中軸向延伸的外側徑向壁26A上或位于其附近。滑閘部件27的一部分放置在凸緣26上。止動件29可以通過本領域的已知技術與壁26A一體成形或安裝在其上。滑閘止動件29的外徑小于填料箱18的內徑。下面，將對滑閘部件27和滑閘止動件29的細節進行詳細說明。
第一可轉動的密封環42沿軸向向外并離開凸緣26安裝在套筒20上。如圖2A和2B所示，可轉動的密封環42具有一個比較寬的密封部分48，其從略大于套筒20外徑的內徑延伸至略小于填料箱18內徑的外徑。狹窄的沿軸向向外的密封面46從密封部分48伸出并與靜止件54的密封面58接合。從可轉動的密封環的密封部分48軸向向內設有一個軸向延伸面或臺階49，其外徑小于密封部分48的外徑，且有助于結合密封部分48限定一個沿軸向向內并沿徑向延伸的第一壁52。所述壁位于與密封面46相對的密封部分48側面上。臺階49終止于軸向向內且徑向延伸的第二壁44，該壁44沿軸向向內與壁52隔離開。可轉動的密封環42可以包括多個在密封部分48內徑上的槽口。槽口可接合在套筒20上的凸起，以便相對于套筒20和/或滑閘部件27鎖定可轉動的密封環42，從而實現它們之間的轉動。
可動滑閘部件27被構造成在抵靠滑閘止動件29的第一位置(如圖1A和2A所示)與滑閘部件27抵靠與密封面46相對的第一可轉動的密封件42的第一壁52的第二位置(如圖1B和2B所示)之間運動。可動滑閘部件27包括一個細長環狀環，該環的結構應能滑過套筒20和可轉動的密封環42的外表面。滑閘部件27響應機械密封裝置內的不同壓力狀態，在兩個位置之間振動或軸向移動。
例如，當密封裝置10處于正壓力狀態時，即當作用流體具有大于阻擋流體的壓力時(如圖1A和2A所示)，壓力差穿過滑閘部件27作用，從而迫使滑閘部件27移向或滑向抵靠滑閘止動件29或位于滑閘止動件29附近的第一位置。當阻擋流體的壓力對于作用流體時(如圖1B和2B所示)，反向壓力差迫使滑閘部件27離開滑閘止動件29并移動至抵靠可轉動的密封環42的壁52的第二位置。
滑閘部件27包括一個托架，其在一端形成有一個沿軸向設置的外部27a，并且在比軸向外部27a窄的相對端形成有一個沿軸向設置的外部27b。滑閘部件27的軸向外部27a具有由內表面45A限定的內徑，該內徑略大于可轉動的密封環42的臺階49的外徑，并且具有由外表面45B限定的外徑，該外徑略小于填料箱18的內徑，以便軸向外部27a覆蓋在可轉動的密封環42的臺階49上。第一凹槽32形成于滑閘部件的內表面45A上。具體說，凹槽形成在軸向外部27a中并用于接收在密封裝置使作用流體與阻擋流體隔離的第三密封件或O型環35。表面或臺階23從軸向外部27a沿軸向向內設置，其內徑大于軸向外部27a的內徑并且在與滑閘部件27的前壁21相對的滑閘外部的側面限定有一個軸向向內的壁53。滑閘部件27的軸向內部27b的內徑稍大于凸緣26的外徑并且其外徑稍小于填料箱18的內徑，以便軸向內部27b覆蓋并密封凸緣26。滑閘部件包括一個形成在軸向內部27b內表面上的第二凹槽33，其裝有一個第四O型環37，以便在機械密封裝置10中使作用流體與阻擋流體隔離。
參見圖1A-2B，第一對主密封件的可轉動的密封環42在其非密封面或其后側限定了大致沿徑向延伸的活塞區A、B。活塞區沿徑向與密封面46、58的總接觸區對齊并比其小，每一活塞區均為與接觸區的主要部分相等的預定區。兩個活塞區從密封環的外徑徑向向內延伸并且與第一可轉動的密封件42的內周保持流體連通。第一活塞區A沿徑向設置在第二活塞區B外側并允許作用流體19在密封面46的徑向向外部分上施加壓力。第二活塞區B允許阻擋流體63在密封面46的徑向向內部分上施加壓力。徑向外側活塞區A起到作用流體的活塞區的作用，徑向內側活塞區B起到阻擋流體的活塞區的作用。第一可轉動的密封件42和滑閘部件27相配合以根據哪種流體具有更高的壓力，或允許作用流體經第一活塞區A向第一密封面施加壓力，或允許阻擋流體經第二活塞區B向密封面46、58施加壓力。每個活塞區均從一種流體向第一對密封面傳遞凈壓力。在每種壓力狀態下，密封面的選定區受到施加或作用于其中一個活塞區上的閉合壓力的作用。根據一個優選實施例，大約70％的密封區露出。
例如，當滑閘部件27抵靠滑閘止動件29時，如圖1A和2A所示，使滑閘部件27的前壁21沿軸向離開與密封面46相對的第一可轉動的密封環42的軸向向內的壁52，以允許流體進入其間，從而在壁52上形成活塞區A。活塞區A由密封面46的徑向最外邊緣和臺階49限定或測定。活塞區A受到由作用于或輸送至密封面46的徑向延伸壁52的作用液體產生的力作用。所述力的箭頭示意性地表示了至少由作用流體19產生并施加到活塞區A上的閉合力(圖2A)。
當滑閘部件27抵靠可轉動的密封件42時，如圖1B和2B所示，滑閘部件27上的臺階壁53和可轉動的密封環一端上的軸向向內的壁44形成了與密封面46相對的活塞區B。更確切地說，活塞區B由密封面46的徑向最內側邊緣和滑閘內表面45A限定或測定。阻擋流體63向密封面46的活塞區B上的密封環施加力。該力的箭頭示意性地表示了至少由阻擋流體產生并施加到活塞區A上的閉合力(圖2B)。滑閘部件27產生或施加作用于處于該位置時的密封環42上的偏壓或閉合力，以有助于保持密封面接觸。活塞區A和B的尺寸可通過調節密封環42的臺階49的徑向長度和滑閘部件27的表面45A來改變。
靜止密封環54沿軸向設置在可轉動的密封環42的外側。靜止密封環54具有一個較寬密封部分56，該部分具有一個相應較寬的軸向向內的密封面58。較寬密封部分56從略大于套筒20外徑的內徑延伸到略小于填料箱18內徑的外徑。在靜止密封件54的密封部分56的外側，第二密封部分55由在相對于密封部分56外徑縮小的外徑處的臺階60限定，并且在與密封面58相對的密封部分56的后側上限定有一個軸向向外的壁62。
根據一個優選實施例，靜止密封裝置54由碳化硅制成，可轉動的密封件42由碳制成。本領域技術人員應想到密封件可由其它合適的材料制成且不應局限于碳和/或碳化硅。
參見圖1A和1B，第二對密封件42’和54’以與第一對密封件的定位相似的方式，沿軸向從第一對密封件42和54向外設置。第二可轉動的密封環42’與第一可轉動的密封環42相似，并且其對應的部分由帶有上標的相同標號表示。可轉動的密封環42和第二可轉動的密封環42’之間的差異在于與密封面46’相對的密封部分48’側面上的軸向向內壁52’。第二可轉動的密封環42’的軸向向內壁52’包括兩個臺階49a和49b，由此形成兩個與密封面46’相對的沿軸向隔開的向內的壁52a’和52b’。如圖所示，套筒20放置在第二可轉動的密封環42’的至少一部分上。套筒20和臺階49b形成一個凹槽32’，其用于接收一個如O型環35’那樣的密封件，以便使密封裝置中的阻擋流體與空氣或外界環境隔離。
以類似方式，與第一靜止密封環54基本上相同的第二靜止密封環54’沿軸向設置在第二可轉動的密封環42’的外側，并設有接觸第二可轉動的密封環54’的密封面46’的密封面58’。第二靜止密封環54’的位置由與第一靜止密封件54中對應部分相同的帶有上標的標號表示。
機械密封裝置10最好包括一個用于容納一個或多個密封件的密封套90，以便提供將阻擋流體導引至第一和第二對密封件中至少一個的流體通道。阻擋流體將熱量從密封面帶走，以減小密封面上的熱應力的影響，并進一步促進防止作用流體通過密封面。密封套90位于固定箱14的中心并固定在其上。密封套具有內表面41，其沿徑向與套筒的外表面51隔離開，以限定阻擋流體的腔室65。為了防止作用流體的泄漏，密封套90包括一個用于容納密封件的常規凹槽。特別是，所示出的密封套90包括一個設置在內側端(即朝向殼體14的端部)的槽94，其尺寸和結構應能固定一個以面對接合殼體14的方式安裝就位的較平坦的墊圈96。所示出的密封套90還包括一個位于槽97內部的O型環95。所示出的墊圈96能夠防止作用流體在殼體14和機械密封裝置10之間產生泄漏。所示出的O型環95能夠防止阻擋流體的泄漏。
根據另一實施例，密封套90包括一對基本相同的密封套區段，或者包括一個具有幾個密封套區段的組件。
所示出的密封套90還包括多個螺栓接片38，這些接片從該處向外延伸，以便將密封套和密封組件安裝到泵殼體14上。螺栓接片具有主體，該主體具有一個整體形成的嵌片突起，其適于安裝在形成于密封套90外表面上的環形槽內。通過使嵌片突起在槽中滑動，可以調節螺栓接片38的角度位置。通過使安裝螺栓(未示出)位于相鄰的接片之間，螺栓接片38有助于將機械密封裝置固定到殼體14上。在使用中，將安裝螺栓嵌入一對相鄰的螺栓接片之間。在轉讓給其受讓人的美國專利No.5,209,496中對螺栓接片38作了更詳細的說明，其在本申請中可結合作為參考。
密封套90還包括一個形成在密封套的內外表面之間的齊平端口110。齊平端口110最好允許形成在密封套90和套筒20之間的腔室65與外界或與其結合的任意選定的流體源的連通。齊平端口110可具有任意選擇的結構，并且為了便于連接到任意適合的流體管道上，最好帶有螺紋。齊平端口110可用來將阻擋流體63導引至腔室65。
如圖所示，密封套90與第一靜止密封環54形成第一凹槽91，并與第二靜止密封環54’形成第二凹槽91’。凹槽91、91’分別接收O型環93、93’，從而在密封套90和靜止密封環54、54’之間提供了密封。安裝在槽76內的O型環78、O型環35’和O型環93’一起協助使阻擋流體與空氣壓力隔離。
鎖定環66安裝套筒20的外端上，并且以機械方式將套筒20連接到軸12上。鎖定環66可包括一個徑向加大的外端，其設有螺紋孔，所述螺紋孔與用于接收將密封組件鎖定到與其一起轉動的軸12上的緊固件的孔相匹配。鎖定環66的加大端部還具有與套筒20中的孔相匹配的螺紋孔，以便接收具有圓柱端的螺紋件，所述圓柱端適于在組裝在泵中之前沿軸向設置密封件。
在操作中，套筒20和軸12一起轉動，并帶有第一和第二可轉動的密封環42和42’，以及鎖定環66和密封裝置10中的其它可轉動件。通過一個接合密封套90的凸耳，將靜止密封件54和54’保持在一靜止位置處。作用流體在密封件42、54的外徑和填料箱18的內徑之間運動。阻擋流體循環通過腔室65。相對旋轉密封面46、58密封在靜止/轉動接觸面處的作用流體，O型環81密封作用流體以防止其超過靜止密封件54。第二密封件中相對旋轉密封面46’、58’密封該密封裝置10內的阻擋流體。
當作用流體的壓力大于阻擋流體的壓力時(標準操作或正壓力狀態)，如圖2A所示，由壓力差產生的凈壓力向滑閘止動件推動滑閘部件27，以便使滑閘部件抵靠滑閘止動件29。作用流體在活塞區A上施加壓力，從而將閉合力傳遞到旋轉密封面46，以確保可轉動的密封環42和靜止密封環54之間的液密性密封。活塞區A在第一密封件42上的臺階49的固定外徑和旋轉密封面46的固定外徑之間延伸。
當阻擋流體的壓力大于作用流體的壓力時(反向操作或負壓力狀態)，如圖2B所示，阻擋流體朝密封環42推動滑閘部件27，以便使滑閘部件27的前壁21抵靠第一可轉動的密封環42的軸向向內的壁52。阻擋流體在活塞區B上施加壓力，從而將閉合力傳遞到旋轉密封面46，以確保在可轉動的密封環42和靜止密封環54之間形成液密性密封。活塞區B從密封面46的固定內徑延伸到可動滑閘部件27上的臺階23的固定內徑。
取決于哪種流體的壓力更大，O型環35在凹槽32內自由移動。自由移動有助于活塞區的形成和將閉合力作用于密封面上。
通常具有比大氣壓高的壓力的阻擋流體向活塞區A’(其由與第二可轉動的密封環42’上的密封面46’相對的壁52a’、52b’限定)施加壓力以將第二密封面46’、58’偏壓在一起(如圖1A和1B所示)。
每一活塞區均由相關壁重疊密封面的接觸面的范圍限定。在雙平衡式密封裝置中，在標準操作狀態下施加在密封面上的閉合力最好等于在反向操作狀態下施加在密封面上的閉合力。可以設計每種壓力狀態下的活塞區以獲得理想的密封面46、58接觸面積的百分比。活塞區A優選等于密封面46、58的接觸面積的50％～100％。活塞區A優選為密封面46、58的接觸面的大約60％～80％，最好為大約70％。分別通過密封面46、58和凹槽32、33和91中的O型環35、37和93，使通過密封套90的端口110進入的阻擋流體與作用流體隔離。阻擋流體穿過腔室65并且在活塞區B和A’處，將壓力施加到可轉動的密封件42、42’中與密封面46和46’相對的側面上的壁52、52’上。這些活塞區分別包括密封面46、58和46’、58’的接觸面的大約50％～100％，或優選為大約60％～大約80％，或最好為大約70％。
密封面的接觸面積最好不受O型環尺寸的限制，因此O型環應是獨立的，并且，可以將O型環可設計成盡可能的合理以使產生的熱量減至最低。可轉動的密封件42、42’的活塞區A、A’(來自作用流體和阻擋流體的壓力分別施加在該處)中的每一個均稍小于與靜止密封件54接觸的密封環42的表面面積(來自作用流體的壓力施加在其上)。不管是在標準操作狀態下還是在反向操作狀態下，本發明的說明性實施例的密封裝置始終在密封面上產生凈閉合力。
另外，可移動滑閘部件和可轉動的密封件42之間的界面是一個光潔表面。因此，可移動滑閘部件27不會滑過臟的表面，從而能夠到達減小滑閘部件的磨損并防止隨時間流逝所造成的堵塞。
圖3A和3B顯示了本發明另一實施例的用于將靜止殼體14安裝到轉動軸12上的機械密封裝置100。雖然圖3A和3B的機械密封裝置100安裝在密封套90內，但是本領域的技術人員應意識到密封裝置100可位于相對于密封套90的任意適當位置處。如圖3A和3B所示，第二對可相對轉動密封件或環460’和540’沿徑向向內與密封裝置100中的第一對可相對轉動的密封件460和540隔離開。在圖3A中，作用流體具有高于阻擋流體的壓力，在圖3B中，阻擋流體具有高于作用流體的壓力。
機械密封裝置100的對應部件的結構與圖1A和1B中所示的機械密封裝置10相似。例如，可轉動的密封環的結構與圖1A和1B中機械密封裝置的可轉動的密封環10大致相同，只是相互之間的位置不同。
機械密封裝置100包括一個可動滑閘部件270，其被構造成重疊并密封在旋轉套筒200的凸緣260和第一可轉動的密封件460上。滑閘部件270與滑閘部件27基本相同。與圖1A-2B所示的滑閘部件27相似，響應于改變的壓力狀態，滑閘部件270在滑閘止動件290和第一可轉動的密封件460的后表面520之間滑動。滑閘部件270限定并露出活塞區A1、B1，以便將密封面480、580偏壓在一起。
如圖3A所示，當作用流體的壓力大于阻擋流體的壓力時，向滑閘止動件290推動可動滑閘部件270并使其抵靠在滑閘止動件290。滑閘部件的前壁210與第一可轉動的密封件460的后壁520隔開以允許作用流體進入其間，從而限定活塞區A1。通過活塞區A1，作用流體向密封面480、580施加閉合力。
如圖3B所示，當阻擋流體的壓力大于作用流體的壓力時，穿過滑閘部件270的壓力差向前推動滑閘部件，以便滑閘部件的前壁210抵靠第一可轉動的密封件420的后壁520。滑閘部件限定了壁440和530上的活塞區B1，該活塞區將閉合力傳遞到密封面460、580上。較高壓力的阻擋流體在活塞區B1施加壓力，該壓力傳遞至密封面上。這些活塞區A1，A1’和B1分別包含相應密封面的接觸面的大約50％～100％，優選為大約60％～大約80％，最好為大約70％。
圖4A和4B顯示了本發明另一實施例的機械密封裝置1000，其用于將固定殼體14安裝在轉動軸12上。在圖4A和4B的機械密封裝置1000中，第二對可相對轉動的密封件4200’和5400’沿徑向向內與第一對可相對轉動的密封件4200和5400分離。在圖4A中，作用流體具有比阻擋流體更大的壓力，而在圖4B中，阻擋流體具有比作用流體更大的壓力。
如圖所示，機械密封組件1000包括第一對相對旋轉的密封件，它們用于在阻擋流體和作用流體之間提供流體密封。機械密封組件1000包括第二對可相對轉動的密封件4200’和5400’，它們沿軸向與第一對相對可轉動的密封件匹配并沿徑向設置在其內側。所述密封組件還包括一個與軸相連的套筒2000，其包括一個凸緣2600和一個用于密封作用流體以免其沿軸流動的凹槽2200中的第一O型環2400，以及一個與靜止殼體14相連的密封套9000，其包括一個凹槽9500中的墊圈9600，該墊圈用于相對于殼體密封所述密封套。密封組件還包括一第一彈簧98和一第二彈簧99，它們用于分別在第一密封面4600、5800和第二密封面4600’、5800’上提供初始偏壓力。
在限定了滑閘部件2700的止動件的凸緣和第一可轉動的密封件4200之間設有一個可動滑閘部件2700。滑閘部件2700的結構與滑閘部件27和270不同。圖示的滑閘部件2700包括一個托架，其具有第一端部270，該端部具有一個安裝密封件2704的凹槽2702。滑閘部件還包括一個第二后部2712，其設置在套筒2000的凸緣部分內。
根據密封裝置1000的壓力狀態，可動滑閘部件限定了活塞區A2或B2。滑閘部件2700包括一個主體2701，一個軸向前部2702和一個連接主體和軸向前部的頸部2703。套筒包括兩個臂2001和2002。第一臂2001包括一個凹槽2005，其具有一個用于密封主體2701的外表面的O型環2006。第二臂2002包括一個凹槽2007，其具有一個用于密封第二可轉動的密封件4200’的O型環。滑閘部件2700的軸向前部2702包括一個凹槽2710，其具有一個用于在密封裝置1000中使作用流體與阻擋流體密封隔離的O型環2711。
如圖所示，當作用流體的壓力較大時，可動滑閘部件2700抵靠第一臂2001，以允許作用流體進入第一可轉動的密封件4200的軸向向內的壁5200和滑閘部件2700的前表面之間的空間，并在由壁5200限定且包括密封面的接觸面積的50％～大約100％的活塞區A2上施加壓力。當阻擋流體的壓力較大時，可動滑閘部件抵靠第一可轉動的密封件的軸向向內的壁5200。可動滑閘部件的軸向向內的壁2750限定了一個將力從阻擋流體傳遞至密封面的活塞區B2。活塞區B2優選為密封面的接觸面積的大約50％～大約100％。活塞區A2和B2優選包括密封面的接觸面積的大約60％～大約80％，最好為密封面的接觸面積的大約70％。
根據本發明的另一實施例，一種機械密封裝置包括一個滑閘部件，其設置成與可轉動的密封環相鄰以響應一種壓力狀態限定一個活塞區，例如，如圖5所示。在圖5中，機械密封裝置10000包括一個與軸相連的套筒20000，其固定了機械密封裝置10000的旋轉部件。利用O型環35000和銷36000或其它合適的裝置，將第一可轉動的密封環42000安裝在套筒20000上。第一靜止密封環54000與靜止密封套件90000相連并接合第一可轉動的密封環42000以形成一個密封界面。形成第二或外部密封的第二對或成對的外部主密封件包括密封環42000’和54000’。第二密封環42000’和54000’具有密封面，所述密封面相互被偏壓成密封關系以提供輔助密封。第一對和第二對主密封件形成了雙重或串聯式機械密封。可動滑閘部件27000與第一靜止密封件5400相連，以便響應密封裝置10000內的不同壓力狀態，限定位于第一密封環42000和54000的密封面上的不同活塞區。
如圖所示，滑閘部件27000包括一個用于接收插入密封套90000內的銷90027的軸向孔27001。銷90027可防止滑閘部件27000的旋轉運動，同時可以使滑閘部件27000響應不同的壓力狀態而沿軸向滑動。滑閘部件27000優選包括一個設置在凹槽內的O型環2710，其用于接合第一靜止密封件的軸向延伸面54027。在圖5所示的實施例中，響應不同的壓力狀態，滑閘部件27000的軸向內部滑過靜止密封環54000的軸向外部上的軸向延伸面54027。
例如，在正常操作狀態下，當作用流體的壓力大于阻擋流體的壓力時，作用流體相對于靜止密封件54000，將滑閘部件27000推向第一位置，以露出第一活塞區。第一活塞區將來自作用流體的閉合力傳遞至第一密封件上的密封接觸面以將密封面偏壓在一起。在反向操作的狀態下，當阻擋流體的壓力大于作用流體的壓力時，阻擋流體相對于靜止密封件，將滑閘部件推向第二位置，從而露出用于將密封面偏壓在一起的第二活塞區。
可以彈性偏壓滑閘部件27000以有助于滑閘部件在第一和第二位置之間滑動。
在圖5所示的實施例中，使用與靜止密封件結合的滑閘部件能夠使第一和第二密封件具有相同的結構，即不必為容納滑閘部件而改進密封件的結構。這種可具有相同結構的第一和第二密封件的能力有助于機械密封裝置的存儲、組裝和修理。
本發明使用了可動滑閘部件以便在多種壓力狀態下，甚至上在反向壓力狀態下，能夠限定在第一密封件后部的活塞區。機械密封裝置的結構能夠通過一選定活塞區在密封面上提供閉合力。活塞區對于所有的壓力狀態而言，均保持恒定且通常小于密封面的接觸面積。
本發明與現有技術的雙平衡式機械密封裝置相比具有顯著的優點。無論壓力如何變化，或者即使壓力在被密封的流體中轉換方向，本發明的密封裝置仍能密封面上保持凈閉合力。該閉合力與O型環的尺寸、結構和位置無關。另外，為了偏壓密封面，滑閘部件在光潔表面上滑動，從而能夠減少堵塞、改善性能并延長密封裝置的使用壽命。
已根據一個說明性實施例對本發明進行了說明。由于在不脫離本發明的范圍的情況下，可以在上述結構中進行一些改進，因此，應想到以上說明書中包含或附圖中顯示的所有內容均是說明性的，而并非限定性的。
還應當理解以下的權利要求書包括此處所述的本發明的所有一般性和特殊的特征，由于語言問題，本發明范圍的所有描述均應落入其間。
權利要求
1.一種機械密封裝置，其用于安裝到裝有一轉動軸的殼體上，所述機械密封裝置包括一個密封套；至少一對密封件，它們至少局部設置在密封套內，所述密封件包括一個具有轉動密封面的可轉動的密封環，和一個靜止密封環，其具有一個接合旋轉密封面的靜止密封面；和一個滑閘部件，其相對于可轉動的密封環和靜止密封環中的一個設置，并可響應機械密封裝置內壓力狀態的變化，在第一位置和第二位置之間沿軸向移動，其中，當位于第一位置并處于第一壓力狀態下時，所述滑閘部件沿軸向與一個密封環的非密封面隔離開，當位于第二位置并處于與第一壓力狀態不同的第二壓力狀態下時，所述滑閘部件被安置成與密封環的非密封面相鄰。
2.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中當響應一個壓力狀態而設置在至少一個所述位置時，滑閘部件產生偏壓力。
3.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中滑閘部件設置成與可轉動的密封環相鄰。
4.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中滑閘部件設置成與靜止密封環相鄰。
5.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中滑閘部件包括一個托架，其具有一個第一端部，其適于設置成與第一和第二密封環中一個密封環的非密封面相鄰；和一個與第一端部相對的第二端部。
6.根據權利要求5所述的機械密封裝置，其中所述托架還包括一個用于固定密封件的凹槽。
7.根據權利要求6所述的機械密封裝置，其中所述密封件為O型環。
8.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中滑閘部件包括一個殼體，其具有在其中形成的用于固定密封件的一個或多個凹槽。
9.根據權利要求8所述的機械密封裝置，其中所述殼體包括分別用于安裝第一和第二密封件的第一和第二凹槽。
10.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其還包括一個適于繞軸安裝的套筒，所述套筒包括一個凸緣部分，其中，滑閘部件設置在凸緣和可轉動的密封環之間。
11.根據權利要求10所述的機械密封裝置，其中所述第一壓力狀態為正壓力狀態，滑閘部件在正壓力狀態期間設置在第一位置處，以便滑閘部件的第一端沿軸向與可轉動的密封環的非密封面隔離開。
12.根據權利要求10所述的機械密封裝置，其中第二壓力狀態為負壓力狀態，滑閘部件在負壓力狀態期間設置在第二位置處，以便滑閘部件的第一端接觸可轉動的密封環的非密封面。
13.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中滑閘部件具有一個在可轉動的密封環上的第一徑向延伸活塞區，其用于在第一壓力狀態下將可轉動的密封環偏壓在靜止密封環上，以及一個在可轉動的密封環上的第二徑向延伸活塞區，其用于在第二壓力狀態下將可轉動的密封環偏壓在靜止密封環上。
14.根據權利要求13所述的機械密封裝置，其中第一活塞區由一個密封環中的徑向延伸密封面的外緣和滑閘部件的軸向延伸內表面限定。
15.根據權利要求13所述的機械密封裝置，其中第二活塞區由一個密封環的徑向延伸密封面的內緣和滑閘部件的軸向延伸內表面限定。
16.根據權利要求13所述的機械密封裝置，其中作用流體在第一活塞區上施加力。
17.根據權利要求13所述的機械密封裝置，其中阻擋流體在第二活塞區上施加力。
18.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其還包括一個第一活塞區，其由一個密封環的徑向延伸密封面的外緣和滑閘部件的軸向延伸內表面限定，和一個第二活塞區，其由一個密封環的徑向延伸密封面的內緣和滑閘部件的軸向延伸內表面限定。
19.根據權利要求18所述的機械密封裝置，其中第一活塞區和第二活塞區的尺寸大致相等。
20.根據權利要求18所述的機械密封裝置，其中第一活塞區和第二活塞區小于旋轉密封面和靜止密封面的接觸面積。
21.根據權利要求18所述的機械密封裝置，其中第一活塞區和第二活塞區為旋轉密封面和靜止密封面的接觸面積的50％～100％。
22.根據權利要求18所述的機械密封裝置，其中第一活塞區和第二活塞區大約為旋轉密封面和靜止密封面的接觸面積的70％。
23.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中密封套包括用于將阻擋流體導引至密封裝置的裝置。
24.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其還包括沿軸向向外離開第一對密封件的第二對密封件，所述第二對密封件包括一個可轉動的密封環和一個靜止環。
25.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其還包括一個適于繞所述軸安裝的套筒，所述套筒包括一個凸緣部分，以及一個設置在套筒的凸緣部分的外表面上的滑閘止動件，其中，所述滑閘部件設置在滑閘止動件和可轉動的密封件之間。
26.根據權利要求25所述的機械密封裝置，其中第二壓力狀態為負壓力狀態，滑閘部件在負壓力狀態期間位于第二位置處以便滑閘部件的第一端接觸可轉動的密封環的非密封面。
27.根據權利要求26所述的機械密封裝置，其中滑閘部件接觸可轉動的密封環的非密封面。
28.根據權利要求25所述的機械密封裝置，其中所述第一壓力狀態為正壓力狀態，并且滑閘部件具有一個與一個密封環的非密封面相鄰的第一端和一個與滑閘止動件相鄰的第一端相對的第二端，并且滑閘部件在正壓力狀態期間位于第一位置處，以便滑閘部件的第二端接觸滑閘止動件。
29.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中當密封裝置中的作用流體的壓力大于密封裝置中的阻擋流體的壓力時，滑閘部件在第一壓力狀態下抵靠滑閘止動件，以便在可轉動的密封環的非密封面上限定第一活塞區。
30.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中當密封裝置中的阻擋流體的壓力大于密封裝置中的作用流體的壓力時，滑閘部件在第二壓力狀態下抵靠可轉動的密封環的非密封面，以便在可轉動的密封環的非密封面限定第二活塞區。
31.根據權利要求1所述的機械密封裝置，其中，所述滑閘部件包括一個軸向外部，其被構造成重疊并密封可轉動的密封環的臺階部分，軸向外部的內徑略大于可轉動的密封環的臺階部分的外徑；一個軸向內部，其比構造成重疊并密封套筒的凸緣的軸向外部狹窄；以及一個臺階，其在軸向內部和軸向外部之間限定了一個徑向延伸的壁。
32.一種用于將機械密封裝置安裝在裝有一轉動軸的殼體上的方法，其中，所述機械密封裝置包括一個密封套；至少一對密封件，這對密封件至少局部設置在密封套內，所述密封件包括一個具有轉動密封面的可轉動的密封環，和一個靜止密封環，其具有一個接合旋轉密封面的靜止密封面；以及一個滑閘部件，其相對于可轉動的密封環和靜止密封環中的一個設置，該方法包括響應于機械密封裝置中壓力狀態的變化，沿軸向使滑閘部件在第一位置和第二位置運動，其中，所述滑閘部件在位于第一位置并處于第一壓力狀態下時，被安置成與密封環的非密封面相鄰，并且在位于第二位置并處于與第一壓力狀態不同的第二壓力狀態下時，沿軸向與密封環的非密封面隔離開。
33.根據權利要求32所述的方法，其還包括響應第一和第二壓力狀態中的一種狀態，在處于第一和第二壓力狀態中的至少一種狀態時，由滑閘部件產生偏壓力。
34.根據權利要求32所述的方法，其還包括將滑閘部件設置成與可轉動的密封環相鄰。
35.根據權利要求32所述的方法，其還包括將滑閘部件設置成與靜止密封環相鄰。
36.根據權利要求32所述的方法，其中機械密封裝置包括一個適于繞軸安裝的套筒，所述套筒包括一個凸緣部分，并且，滑閘部件設置在凸緣和可轉動的密封環之間，其包括當在密封裝置中出現正壓力狀態時，滑閘部件處于第一位置處，以便滑閘部件的第一端沿軸向與可轉動的密封環的非密封面隔離開，并且，當在密封裝置中出現負壓力狀態時，滑閘部件處于第二位置處，以便滑閘部件的第一端沿軸向設置成與可轉動的密封環的非密封面相鄰。
37.根據權利要求32所述的方法，其還包括在可轉動的密封環上限定第一徑向延伸活塞區，以便在第一壓力狀態下將可轉動的密封環偏壓在靜止密封環上，以及在可轉動的密封環上限定第二徑向延伸活塞區，以便在第二壓力狀態下將可轉動的密封環偏壓在靜止密封環上。
38.根據權利要求32所述的方法，其還包括通過一個密封環的徑向延伸密封面的外緣和滑閘部件的軸向延伸內表面限定第一活塞區，通過一個密封環的徑向延伸密封面的內緣和滑閘部件的軸向延伸內表面限定第二活塞區。
39.根據權利要求38所述的方法，其中第一活塞區和第二活塞區的尺寸大致相等。
40.根據權利要求38所述的方法，其中第一活塞區和第二活塞區小于旋轉密封面和靜止密封面的接觸區。
41.根據權利要求38所述的方法，其中第一活塞區和第二活塞區為旋轉密封面和靜止密封面的接觸面積的50％～100％。
42.根據權利要求38所述的方法，其中第一活塞區和第二活塞區大約為旋轉密封面和靜止密封面的接觸面積的70％。
43.根據權利要求32所述的方法，其中所述密封裝置還包括一適于繞軸安裝的套筒，所述套筒包括一個凸緣部分，滑閘止動件設置在套筒的凸緣的外表面附近，其包括將滑閘部件設置在滑閘止動件和可轉動的密封環之間。
44.根據權利要求43所述的方法，其中，第一壓力狀態為正壓力狀態，其包括滑閘部件在正壓力狀態期間設置在第一位置處，以便滑閘部件的一端接觸滑閘止動件。
45.根據權利要求43所述的方法，其中，第二壓力狀態為負壓力狀態，其包括滑閘部件在負壓力狀態期間設置在第二位置處，以便滑閘部件的一端接觸可轉動的密封環的非密封面。
全文摘要
一種用于在轉動軸和固定殼體之間提供液密性密封的機械密封裝置，包括用于密封和分離作用流體和阻擋流體的第一對密封件。第一對密封件包括一個具有旋轉密封面的第一可轉動的密封環，和一個具有接合旋轉密封面的靜止密封面的第一靜止密封環。第一對密封件還包括在第一密封件后側的大致沿徑向延伸的活塞區，其用于將密封面偏壓在一起。活塞區由一個連接到可轉動的密封環上的可動滑閘部件和一套筒限定，該套筒又連接到轉動軸上。在正常操作狀態下，滑閘部件移動到第一位置，以允許作用流體在第一活塞區上施加壓力，從而將密封面偏壓在一起。在反向操作狀態下，當阻擋流體壓力大于作用流體壓力時，滑閘部件移動到第二位置，在該位置處，其與阻擋流體一起在第二活塞區上施加壓力以將密封面偏壓在一起。
文檔編號F16J15/34GK1985115SQ200480010616
公開日2007年6月20日 申請日期2004年3月1日 優先權日2003年2月28日
發明者H·V·阿茲伯特 申請人:A.W.切斯特頓公司