可控機械密封件的制作方法

專利名稱:可控機械密封件的制作方法
本發明一般與一種機械密封件有關，用來密封流體機械外殼中的旋轉軸，防止流體沿軸泄漏。具體有關一種可迭機械密封件，其隔離兩個密封面元件的薄潤滑液膜的厚度，由外部通入的電壓控制。
為了有助了解本發明，其運轉和優點，也許適宜對機械密封作一般討論。如熟悉本技藝領域者可以理解，機械密封是由兩個面元件形成。一個元件固定在準備密封的機械的殼體上，另一個固定在軸上隨軸旋轉。一個元件靜止，因此沒有相對于軸的軸向活動。另一個則沿軸作軸向活動，因此被稱為浮動面元件。面元件有互相相對放置的關系，因此兩者之間的安排，是隨流體壓力，或彈簧壓力，或兩種壓力反應，產生密封關系，防止沿軸泄漏。
據發現成功的機械密封之取得，不在于元件之間的直接具體接觸，而在于在穩定運轉狀態下，兩元件的相對面的表面之間，有潤滑液薄膜形成。這液膜防止或降低元件直接機械接觸造成的磨損，從而避免密封件有機械損壞或失效的可能性。然而液膜的厚度不能過大，過大則造成過多的泄漏。
另外，據發現液膜厚度決定于密封面元件表面的實際幾何形狀。具體而言，假如兩個密封面元件的表面完全平坦而平行，使兩者之間形成一個均勻一致的間隙，浮動元件可以移向靜止元件作緊密接觸。那么液膜將被破壞，造成液膜的零厚度。為了保持一個有限液膜厚度，以防這種破壞，間隙中的液壓必須能產生足夠大的張開力，傾向于把浮動元件推離固定元件。為此，必須使相對表面不平行，而必須從密封高壓側向低壓側在徑向上互相趨近。如這會聚度增高，張開力便增高，膜厚度便增大。與此相似，假如會聚度減小，液膜厚度也減小。
一般而言，機械密封件制造時，而元件的設計中要求在機器的穩定狀態運轉時，表面有預定的會聚度，把元件預期的熱變形和機械變型都估計在內。這樣可以實現合理的膜厚。應該理解到膜的厚度相當小，約在50-200微英寸之間。變形也同樣很小，約在20-100微英寸范圍內。過去，傳統的機械密封件的設計和制造，密切注意以一切可以預期到的變形為基礎，以利產生稱定狀態運轉的容許膜厚。膜厚決定密封件的設計特點，諸如材料類型，結構形式等等，以及運轉條件，諸如溫度，壓力，速度，載荷和流體特征等。因此，一旦密封件開始工作，膜厚便無法控制。因此，傳統密封件在經歷變化范圍大的運轉條件時，包括瞬間條件變化，便會蒙受表面損傷和磨損。
因此希望能提出一種可控的機械密封件，其分隔兩個密封面元件的流體薄膜的厚度，可用外部裝置控制。假如能提供這種可控制的特點，膜的厚度便可以隨運轉條件的變化而變化，在條件的廣泛變化范圍內保持最佳液膜厚度。
1969年3月18日頒發威斯(W.J.Wiese)的美國專利第3，433，489叼，已轉授與本申請案的同受授人，該專利揭示了一種機械密封組合件，其中有一個收集夜靜更深 ，在一個密封表面元件中形成。從元件上流過的流體，收集在收集環中，流入一個壓力控，在某種運轉條件下產生一個流體壓力。把這流體壓力加在有壓力腔的元件上，目的是控制通過元件的泄漏。
1976年4月6日頒發基奧里(E.J.Gyory)的美國專利第3，948，530號受授人也和本申請案同，揭示了一種可在外面調節的機械密封件，其液靜壓作用在靜密封元件外表面上的兩個有軸向間隔的壓力壓上。壓力區和壓力通道接通，壓力通道有適當的閥，調定通向一個或兩個壓力區的高壓，低壓或大氣壓。結果，元件變形，形成密封表面的全表面接觸，內徑表面接觸，或外徑表面接觸。
1984年3月6日頒發阿爾伯斯等人(Albers， et al)的第4，434，987號美國專利，揭示了一種密封器件，其中有一個密封環隨軸旋轉。這旋轉密封環有一個和一個殼體連接的不旋轉但可以滑動的密封環，圍繞它的徑向伸展表面和在其圓周上伸展的表面。不旋轉密封環和傳感器連接，感測每一徑向平面間隙的寬度。控制裝置隨傳感器反應，促動一個電磁鐵，電磁鐵產生磁力，使不旋轉密封環滑動，為的是保持徑向平面間隙的選定寬度。
在本技藝領域中對可控機械密封件有一個要求，即其分隔兩個密封表面元件的潤滑液薄膜的厚度，可由外部產生的力，加在至少一個元件上進行控制使元件的表面變形。對這變形作控制，使相對表面的會聚度可以調節。這樣張開力便可以調節，從而可以在寬闊的運轉條件變化范圍中，取得最佳化的液膜厚度。
本發明針對的就是這種要求。為此，本發明揭示了一種液體機械的可控機械密封件，有一個殼體和一個與殼體相對旋轉的軸。密封件有一個第一面元件，可隨軸旋轉，有一個第二面元件由殼體支承。第一及第二元件分別確定第一及第二表面。元件中之一個沿軸滑動，向另一元件靠近或遠離，形成兩表面之間的間隙。有適當的裝置把一個元件向另一元件偏壓。設有裝置調節表面之間的會聚度，改變間隙中壓力形式的變化，從而使間隙的寬度變化。
本發明的目的和優點，結合附圓閱讀下文的詳細敘述，便可全然子解，相應的部件用相同的標圖號標本，附圖內容如下圖1為按本發明原理構造的可控機械密封件的縱向剖視;
圖2為適用于圖1密封件的壓電促動器的剖視;
圖3為適用于圖1密封件的另一形式的壓電促動器剖視;
圖4為按本發明原理構造的可控機械密封件第二實施方案的縱向剖視;
圖5為適宜配合圖1和4中可控機械密封件使用的控制系統方框圖;
圖6為一非按比例的放大縱向剖視，圖示本發明可控機密封件第一及第二面元件之間的間隙。
參見附圖中各視圖的細節，圖1示流體機械10，其中有殼體12容納流體。殼體12有一個孔14，軸16從中穿過，軸16繞其縱向軸線A，相對于殼體12旋轉。
設有一個可控機械密封件18，防止過多流體從高壓環境20向低壓環境22泄漏。機械器密封件18中有一個第一面元件24，適當安裝在軸16上隨軸16旋轉。面元件24沿軸線A相對于軸的軸向滑動。有適當的偏壓裝置26，例如一個彈簧，偏壓面元件24向右移動，如圖1所示。
機械密封件18還有一個在殼體12上固定的支持器28，支持器28把第二面元件30和一個促動器32支承在殼體12中。第二面元件30的外徑固定，使它不能作相對于軸16的軸向移動。促動器32最好是電磁型的，可用壓電材料制成，壓電材料如鋯鈦酸鉛之類，在上面加外部電壓時伸長。這伸長使第二面元件30變形。
圖示面元件24可隨軸16旋轉，而面元件30不能旋轉。但是應該明確了解的是，一個元件可以旋轉，另一個不能旋轉。與此相似，雖然圖示元件24浮動(沿軸16軸向活動)，元件30固定(不能作相對于軸16的軸向移動)，但是也可以使其中任一為浮動元件，而另一固定。并且應該理解促動器32可以和二者之任一相關，或者可以是元件的一個整體部分而非分立元件。這里為了方便，設想元件24既可旋轉又可浮動，而元件30則不能旋轉并固定。促動器32設想為與元件30關連的一個分立組件。
元件24有一個徑向表面34。與此相似元件30有一個徑向表面36，與表面34相對。二者共同形成密封面的表面34，36。
浮動面元件和固定面元件24及30可以用相同或不同材料制造。其一英武用石質材料，如燒結石質合金(sintered carbide)，金鋼砂，鎢鉻鈷合金等等。另一則用軟質材料，如碳，碳一石墨，青銅等。
如在上文中已提到，成功的機械密封件，在元件24及30之間的間隙38中，要求有薄潤滑液膜。這液膜厚度要求適當大，以減少元件磨損和/或咬死，但又需適當小，以防泄漏過多。因此在間隙中應保持一個最佳的液膜厚度，把表面34及36分隔，以實現機械密封件的正常運轉。
間隙的寬度，和相應液膜厚度，由從外部向壓電促動器32供給電壓控制。這促動器可以是一個單一的圈環，但最好由一疊圈環40組成，如圖1及2所示。這些圈環用壓電材料制造，其定向使當從外部供給電壓時，各圈環在軸向上膨脹。促動器32施加的軸向力加在元件30的背面，把元件30壓緊。其應變使元件30的表面36變形，產生相對密封表面34及36之間的收斂間隙。電壓升高(降低)時，這個力增高(下降)，于是取得較大(較小)的會聚度。由于較大(較小)的會聚度產生較厚(較薄)的液膜，所以可增高(降低)供給的電壓控制液膜的精確厚度。
圈環40的疊垛相對于軸16的軸向放置。雖然環可以是整個的，如圖2所示，但也可以分成扇面形。同樣，也可以改用圓盤43的疊垛，在軸16的圓周上間隔放置，如圖3所示。假如使用扇面或圓盤疊垛，一般向各疊垛供給相同的電壓，將產生相同的間隙。但是，也可以在疊垛上加不等的電壓，補償密封表面的任何失調，產生一致的間隙。
本發明可控機械密封件的第二實施方案如圖4所示。為使元件30的表面36變形，有若干間隙放置的與圖3所示的相同的壓電促動器32a，其中之一如圖4所示，促動器隨外部供給的電壓反應，在元件30的側面44上加徑向力，使它變曲成砂漏時計的結構形狀。結果在表面34及36之間，產生會聚間隙。并且，也可以向各促動器供給相同或不同的外部電壓，補償表面的失調而產生一致的間隙。
圖5是控制系統46的簡圖，適宜配合圖1及4中的可控機械密封件使用，自動產生并調節供給壓電促動器32或32a的外部電壓，維持最佳的液膜厚度。可以看到傳感器48可以適當地埋在一個元件之中，例如在元件30中，提供表示表面34及36的間隙的信號。傳感器48最好是一個熱電偶，感測與間隙厚度相關的溫度。具體地講，感測元件面即將接觸時的計溫。有一個信號校正器50隨熱電偶輸出反應，產生表示輸出的電信號。把信號向控制器52輸入，通過增高電源56的電壓54作調節。把這電壓54供給壓電促動器32或32a，使表面36變形，以增大間隙38的寬度。測各溫度下降，表明間隙過寬，供給的電壓相應下降，以減間隙寬度。
控制器52還可以按照預定程序降低電壓54，測試隙寬，控制系統46的細節，包括控制器52，在美國的第789，890號申請案中有揭示，該案與本申請案同時提交在案，有相同的受授人。
關于可控機械密封件18運轉的討論，下文中將參照圖6敘述。據信這是對理解本發明的原理所必須，也是從本發明取得利益所必須。
在一個方向上作用于元件24上的流體力和彈簧力中，有一個凈關閉力，傾向于把元件24向元件30軸向推動。間隙38中在相反方向上作用于元件24上的流體力中，有一個凈開啟力，傾向于把元件24軸向推離元件30。在機械的穩定狀態運轉中，為使系統平衡，凈開啟力必須和凈關閉力平衡。這合成力的平衡，決定表面34及36的隙寬38，從而決定游泳人膜的厚度。
前文已經討論，成功的密封件表面34及36，必須掃箭頭58所指，從密封件18高壓側20到低壓22的方向上，有徑向的會聚。假設高壓側在密封件的外徑上，低壓側在內徑上，則表面34及36必然從外徑向著內徑會聚。本文中會聚度C的定義，是外徑(箭頭60)處隙寬(即膜厚)To和內徑(箭頭62)處隙寬(即膜厚)Ti之間的差量。在本文中，會聚率D的定義，是會聚度C和某一隙寬(即膜厚)的T的比率。為方便起見，采用平均隙寬(即膜厚)(To+Ti)/2＝T。也就是D＝C/T。間隙中的壓力形式和凈開啟和決定于會聚率D。會聚率越高，開啟力越大。
假設機械10在穩定狀態下運轉，密封件會聚率D的設計，與某一平均膜厚相符，該平均膜厚在這特定運轉條件下有最佳值。當凈開啟力和凈關閉力平衡時，會聚率D基本恒定，假如在某些運轉條件下有變化，諸如開機，關機，運轉中變速，溫度變化，壓力變化，機械中所用特定流體的特點變化等時，便會破壞這個平衡。浮動面元件24便向固定元件30靠近或與之離開。結果平均膜厚T變化。
假如運轉條件變化，產生很小的膜厚，熱偶48測出有即將來到的表面接觸，控制系統46便將供給增高的電壓54，增加表面36的變形，以增大會聚度C。在另一方面，運轉條件變化后產生的膜厚很大，發生了過多的泄漏。在按上述美國申請案第789，890號中提到的預定程序作定期測試時，控制系統46將供給增高的電壓54，減少表面36的變形而減小會聚度C。
這樣間隙中的壓力狀態變化，產生一個新的開啟力。但由于關閉力基本保持恒定，元件24作反應，向元件30靠近或與之離開，直到力的平衡恢復，會聚率D恢復其原始數值。平衡的恢復，是當新運轉條件下的新平均膜厚有最佳化數值的時候。
為了調節表面36的變形，調節會聚度C，以控制T，可以將上段中的過程連續反復或定期反復。
雖然上文的解說涉及的是元件30表面36的變形，但是凡擅長本技藝者可能理解，可以使表面中之任一或全部變形，以取得相同的效果。
因此可從上文看到，本發明提出了一種可控制的機械密封件。在一種開回路的形式中，分隔兩個面元件的潤滑液薄膜的厚度，由外部供給的電壓控制，使兩個面元件表面的至少一個變形。
在閉回路的形式中，設置一個傳感器指示兩表面間隙的寬度。有一個隨傳感器反應的控制系統產生外部電壓，供給壓電促動器，控制兩表面的會聚度，從而保持寬廣的運轉條件范圍中的潤滑液膜的最佳厚度。
雖然上面所示和所述，都被認為是本發明的最好實施方案，但凡擅長本領域技藝者都可理解，還可作出各種變化和修改，并且元件可用相似條件取代而不脫離本發明的真實范圍。此外，還可作許多修改，將本發明的思想適應一個特定狀況，而不脫離本發明的范圍。因此，發明人的目的并非使本發明受限于上文揭示的特定實施方案，該實施方案等被認為是實施本發明的最佳形式，而發明應包括文后權利要書范圍內的一切實施方案。
權利要求
1.密封相對于流體機械(10)旋轉的軸(16)的可控機械密封件(18)，該密封件有帶有第一徑向表面(34)的第一面元件(24)，該第一元件用于隨軸(16)旋轉，有一個帶一個第二徑向面表面(36)的第二面元件(30)，該第二元件支承在殼體內，該兩元件中的一個可沿軸作軸向移動，其特征在于該第一及第二表面形成一個間隙，間隙從該密封件的高壓側(20)向低壓側(22)收斂，在間隙中有潤滑液薄膜，有促動裝置(32，32a)至少把該元件中之一個變形，從而調節該表面(34，36)的會聚，有感測裝置(48)產生指示間隙(38)狀況的信號，有控制裝置(46)隨該信號反應，產生輸出，供給該促動裝置，控制該變形，從而在一個寬廣的運轉條件范圍中，保持潤滑液膜的最佳厚度。
2.如權利要求
第1項中之可控機械密封件，其特征為該促動裝置有一個電磁促動器(32)。
3.如權利要求
第1項中之可控機械密封件，其特征為該促動裝置中有一個壓電促動器(32)。
4.如權利要求
第3項中之可控機械密封件，其特征為該壓電促動器向該第二元件(30)加一個力使之變形。
5.如權利要求
第3項中之可控機械密封件，其特征為該壓電促動器中，至少有一個與軸同心的圈環(40)。
6.如權利要求
第3項中之可控機械密封件，其特征為該壓電促動器中有若干圈環扇形面的疊垛，圍繞軸周間隔放置。
7.如權利要求
第3項之中可控機械密封件，其特征為該壓電促動器中有若干圓盤的疊垛(43)，圍繞軸周間隔放置。
8.如權利要求
第1項中之可控機械密封件，其特征為該間隙的形態是該兩表面接觸的初始。
9.如權利要求
第8項中之可控機械密封件，其該促動裝置中有一個壓電促動器，該輸出為一電壓。
10.如權利要求
第9項中之可控機械密封件，其特征為該控制裝置(46)增高其輸出電壓以增大該兩表面的會聚度，從而獲得較厚的液膜，或降低其輸出電壓以減少該兩表面(34，36)之會聚度，從而取得較薄之液膜。
11.如權利要求
第8項中之可控機械密封件，其特征為該傳感裝置中有一個熱電偶(48)，由該元件中之一個支承。
12.如權利要求
第8項中之可控機械密封件，其特征為該傳感裝置中有一個熱電偶(48)，由該第二元件(30)支承。
13.如權利要求
第4項中之可控機械密封件，其特征為該轎軸的徑向上施加。
14.如權利要求
第4項中之可控機械密封件，其特征為該力在軸的徑向上施加。
15.密封相對于流體機械(10)旋轉的軸(16)的可控機械密封件(18)，該密封件有帶第一徑向表面(34)的第一面元件(24)，該第一元件用于隨軸(16)旋轉，有一個帶一個第二徑向面表面(36)的第二面元件(30)，該第二元件支承在殼體內，該元件中的一個可沿軸作軸向移動，其特征在于該第一及第二表面適于形成一個間隙，其中有一個潤滑液薄膜，有一個和該元件中之一個連接的壓電促動器(32，32a)，使該元件的表面變形，而使間隙在從該密封件高壓側(20)向低壓側(22)的方向上收斂，有一個熱電偶(48)埋在該元件的一個中，表示該表面(34，36)初始接觸的溫度，有一個控制系統(46)隨溫度測量反應，產生一個電壓供給該壓電促動器(32，32a)控制元件表面的會聚度，從而在寬廣的運轉條件范圍中，保持潤滑液膜的最佳厚度。
16.如權利要求
第15項中之可控機械密封件，其特征為該壓電促動器中，至少有一個與軸同心的圈環(40)。
17.如權利要求
第15項中之可控機械密封件，其特征為該壓電促動器中，有若干圈環扇形面的疊垛，間隔圍繞該軸。
18.如權利要求
第15項中之可控機械密封件，其特征為該壓電促動器中有一個圈環的疊垛。
19.如權利要求
第15項中之可控機械密封件，其特征為該壓電促動器中有若干圓盤(43)的疊垛，在軸周周間隔放置。
20.流體機械(10)的可控機械密封件(18)，機械有一個殼體(12)和相對于殼體旋轉的軸(16)，該密封件有一個第一面元件(24)可隨軸旋轉，一個第二面元件(30)由殼體支承，該第一及第二元件分別形成第一(34)及第二(36)面表面，該元件的一個(24)沿軸滑動，向該元件的另一個(30)靠近或與之離開形成該兩表面的間隙，有裝置(26)把該一個元件向該另一元件偏壓，其特征為該元件(24，30)在機械的給定運轉狀態下，會聚率基本等于該表面(34，36)的會聚度，被除于該間隙的平均寬度，從而調節該表面會聚度的裝置(32，32a)，改變該間隙(38)的寬度。
21.如權利要求
第20項中之可控機械密封件，其特征為該調節裝置有對一個元件壓緊的裝置(32，32a)，使造成的應變對該表面(34，36)的會聚度作調節。
22.如權利要求
第20項中之可控機械密封件，其特征為該調節裝置有促動裝置(32，32a)在一個元件上加力，使元件表面變形，對該兩表面會聚度進行調節。
23.如權利要求
第22項中之可控機械密封件，該促動裝置隨供給的電壓反應而發力。
24.如權利要求
第23項中之可控機械密封件，該促動裝置中至少有一個壓電促動器。
25.如權利要求
第24項中之可控機械密封件，該壓電促動器在該另一元件(30)上施力。
26.如權利要求
第25項中之可控機械密封件，該壓電促動器(40，43)在基本與該軸平行的方向上，向該另一元件(30)施力。
27.如權利要求
第25項中之可控機械密封件，該壓電促動器(32a)在基本與該軸垂直的向上，向該另一元件(30)施力。
28.如權利要求
第20項中之可控機械密封件，其特征為有裝置感測該間隙寬度變化，以說明機械運轉狀態有變化，并有裝置隨感測到的變化反應，調節該兩表面的會聚度，使間隙的寬度變化，從而該密封件補償機械運轉狀況的變化。
29.如權利要求
第28項中之可控機械密封件，該測得的變化是該兩表面(34，36)的初始接觸。
30.如權利要求
第29項中之可控機械密封件，該傳感裝置中有一個熱電偶(48)，感測該表面(34，36)初始接觸時的升溫。
專利摘要
一種可控機械密封件，有帶第一及第二徑向表面的第一及第二面元件。第一元件隨軸旋轉。第二元件固定在殼內。一個元件相對于軸軸向活動。該兩表面形成有液膜的間隙。設置一個促動器，使至少一個表面變形使間隙從密封件的高壓側向低壓側收斂。設置一個傳感器，感測兩表面的初始接觸溫度。一個控制系統隨傳感器反應，產生外部電壓，供給促動器，控制表面的會聚，從而在寬闊的運轉狀態范圍中，保持潤滑液膜的最佳厚度。
文檔編號F16J15/34GK86106923SQ86106923
公開日1987年6月3日 申請日期1986年10月20日
發明者理查德·F·薩倫特, 威廉·愛德華基, 彼得·勞倫斯·凱 申請人:博格-華納工業產品公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan