具有轴向负载控制特性的分段密封件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于密封旋转构件的密封组件的区段（100）。所述区段包括径向外表面（120）、用于密封所述旋转构件的径向内表面（140）、端面槽（50）和次密封表面（20）。在实施例中，区段（100）可以包括径向进给槽（40），所述端面槽（50）具有自所述次密封表面（20）的轴向深度，该轴向深度大于所述径向进给槽（40）的轴向深度。另外，在实施例中，所述端面槽（50）可以包括应力槽（60），所述端面槽（50）在所述次密封表面（20）的轴向位置处具有一径向长度，所述应力槽（60）自所述次密封表面（20）沿轴向偏移，并且所述应力槽（60）包括具有径向长度的一部分，该部分的径向长度比端面槽（50）在次密封表面（20）的径向位置处的径向长度大。
【专利说明】具有轴向负载控制特性的分段密封件
【技术领域】
[0001]本发明涉及分段的径向密封区段和密封组件。
【背景技术】
[0002]分段的径向或周向的密封件已经应用在与可压缩流体例如气体相关的多种环境中。它们已经例如与气体涡轮发动机结合使用。除了其它作用，这种径向密封件通常起到相对于低压区域密封高压区域的作用。
[0003]传统的分段密封件通常利用浅的端面槽来控制在分段的密封件上的轴向负载。然而，浅的端面槽的径向位置因为轴的跳动和次密封件保持与壳体的密封表面接触的能力而受限。通常需要密封区段的轴向负载以在密封区段的次表面与配合密封表面之间保持充足的次密封接触。随着密封区段上的轴向负载增加，密封区段跟踪轴跳动或响应轴的瞬时偏移的能力受到不利影响。在多种应用中，浅的端面槽密封件定位成径向地尽可能低以使压力影响最小化，因此使密封区段上的轴向负载最小化，但减少了次密封表面区域。
[0004]除了其它方面，需要提供这样的分段的密封件，S卩，在该密封件中系统压力可作用在该径向位置且甚至该径向位置能被调节，以在不牺牲次密封表面面积的情况下减小系统压力会施加至所述密封区段的轴向负载。
【发明内容】
[0005]公开了用于密封旋转构件的密封组件的区段。在一实施例中，该段包括径向外表面、用于密封所述旋转构件的径向内表面、端面槽、次密封表面；和径向进给槽。在相关的实施例中，端面槽具有自次密封表面的表面的轴向深度，该轴向深度大于径向进给槽的轴向深度。
[0006]在另一实施例中，密封组件的区段包括径向外表面、用于密封所述旋转构件的径向内表面、具有应力槽的端面槽；和次密封表面。在相关的实施例中，端面槽具有自次密封表面的表面的轴向深度，端面槽在次密封表面的轴向位置处具有一径向长度，应力槽自次密封表面沿轴向偏移，并且应力槽包括具有比端面槽在次密封表面的轴向位置处的径向长度大的径向长度的一部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]现在参考附图，通过例子描述本发明的实施例，其中:
[0008]图1是沿着图2中的线1-1看得到的密封环区段的实施例的截面的放大的等距视图；
[0009]图2是密封环区段的实施例的低压侧的视图；
[0010]图2A是图2所示的密封环区段的一部分的侧视图，大体示出了径向进给槽(feedgroove)；
[0011]图3是密封环区段的实施例的高压侧的视图；[0012]图4是从内径(ID)向外径(OD)看得到的密封环区段的实施例的孔区域的视图；
[0013]图5是图2所示的密封环区段的实施例的端部部分的放大的视图；
[0014]图6是图5所示的密封环区段的端部部分的截面图；
[0015]图7是图3所示的密封环区段的实施例的截面图；
[0016]图8是图7所示的密封环区段的实施例的截面图，大体示出了施加于密封环区段的部分上的系统轴向压力分布；
[0017]图9是包括流体动力学特征的密封环区段的实施例的局部截面图；
[0018]图10是图9所示的密封环区段的局部截面图的一部分的放大的视图；
[0019]图11是用于分段的环的配合壳体的实施例的局部截面图；和
[0020]图12是图11所示的视图的一部分的放大的视图。
【具体实施方式】
[0021]现详细参考本发明的实施例，此处结合所附附图描述和说明所述实施例的例子。尽管将结合实施例描述来本发明，但应理解的是并不希望将本发明限制于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖可以被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、改型和等同物。
[0022]图1大致示出了说明所公开构思的各方面的密封环区段的实施例的部分10的截面的放大的等距视图。示出的部分10包括次密封表面20、密封孔30、径向进给槽40、端面槽50、径向密封坝应力槽60和区段截面表面70。如本文进一步讨论的，所公开的端面槽50可以包括一个或多个独特的方面和特性。在一实施例中，径向进给槽40的轴向深度可以是约0.120±0.005英寸。此外，密封环区段的实施例可以如希望的或根据需要包括多个径向进给槽以确保/保持流体/空气的所希望的流量。
[0023]图2和3分别示出了根据所公开构思的实施例的密封环区段100的低压侧和高压侧的视图。如图2中大致示出的，密封环区段100包括径向外表面120和与区段的孔侧对应的径向内表面140。密封环区段100可以附加地包括至少一个过渡部分以用于与相邻的区段相连接和/或重叠。在图2中，示出第一和第二过渡部分150a、150b的例子在区段100的各端部处。密封环区段100还可以包括径向进给/防旋转槽160 (也于在图2A示出的那个部分的侧视图中示出)，该径向进给/防旋转槽可以与相关的端面槽流体连通。需注意的是，扁销(或“键”)可以适配在与所描绘的槽160相关的缝内。如图2A大致示出的，径向进给/防旋转槽160可以具有深度D115例如但非限制地，在一实施例中径向进给/防旋转槽160的所示出的深度D1可以是0.110±0.005英寸。在实施例中，需注意的是，流体/空气的流的相当一部分可以与径向进给/防旋转槽160关联，所述流体/空气的流可以与端面槽50直接连通。与本发明的实施例相关的密封环区段能构造成引导这样的相当一部分流，相关的端面槽能构造成有效地提供流体/空气的“贮存器”，其能帮助防止系统/组件流中的阻塞(choke)。
[0024]图4描绘了图2和3中所示类型的密封环区段100的孔区域，包括在密封环区段100的内(或孔-侧)表面140上的一个或多个隆起增大(lift augmentation)构造(也称为“衬垫”)170。本发明不限于所公开的衬垫170的形式，并且包括在孔-侧上的一个或多个衬垫可以例如包括各种类型的台阶或衬垫，包括Rayleigh台阶或衬垫以及具有改进的动力学特征的衬垫。具有改进的流体动力学特征的径向密封区段的例子在美国专利N0.7，770, 895和美国专利申请公开文本N0.2010/0164183中公开，以引用方式将所述专利文献的内容纳入本文,犹如在本文中完整陈述。此外,在一实施例中但非限制地,密封环区段可以大致具有0.230±0.002英寸的总宽度(如图4中所标注的宽度W1X需注意的是，每个密封环区段可以覆盖360度的一部分或成角度的区段，这通常是为了环绕圆的或圆形的旋转构件提供密封所需要的。在图3所示的实施例中，所示角度Θ是约120°。当涉及多个类似的段时，被每个段覆盖的角度范围将典型地是360°的子集，例如72°、90°、120°或180°。此外，如图3中大致示出(S卩，未包括在Θ内的部分)，区段的每个端部可以有用于与相邻的区段重叠或相互连接的部分。
[0025]图5是图2中所示的密封环区段100的实施例的端部部分的放大的视图。图6是图5中所示的密封环区段的端部部分沿剖面线6-6看所得到的截面图。再参考图5和6，通过例子且非限制地，在本发明的一实施例中，段100可以具有以下示例性的尺寸:0.040±0.005 英寸的 W2 ；0.030±0.005 英寸的 W3 ；0.065±0.005 英寸的 L1 ;和
0.015±0.005 英寸的 D20
[0026]转到图7，其大致示出了沿图3所示的剖面线7-7看所得到的密封环区段的截面的实施例。密封环区段100的所示部分包括次密封表面20、密封孔30、径向进给槽40 (用虚线识别)、端面槽50和径向密封坝应力槽60。图7还示出了根据本发明的教导与端面槽50相关的几个方面/特征。如大致描绘的，端面槽50可以具有在轴向上自次密封表面20的表面延伸的总轴向深度D3。需注意的是，关于常规的密封环区段，相关的端面槽的深度通常相当地浅，例如约0.015英寸深，并且更多地，具有轴向深度与径向进给槽40的轴向深度相同的特性。通过本发明的实施例，总轴向深度D3大于径向进给槽40的轴向深度。此外，在一些实施例中，总轴向深度D3可以是相关的径向进给槽40的轴向深度的至少两倍，对一些实施例，总轴向深度D3可以是相关的径向进给槽40的轴向深度的至少三倍。在一些实施例中，总轴向深度D3可以是约0.025英寸或更深。此外，非限制性地，在一实施例中，总轴向深度D3可以是约0.050±0.003英寸。在实施例中，径向进给槽和径向/防旋转槽能构造成如果通过次密封的泄漏发生则在操作源压力和外部压力之间提供增强的(且超过足够的)液体/空气的连通。具有大的轴向进给槽容积(即，藉由端面槽50)能提供液体积聚，以帮助确保在瞬态条件下足够的操作源压力。
[0027]非限制地，如图7中大致示出，端面槽50可以包括入口部分190，该入口部分具有在轴向上自次密封表面20的表面延伸的入口轴向深度D4。在所示截面中，入口部分190可以具有高度H1，如果需要则所述高度对于入口部分190的一些或全部轴向深度而言可以基本恒定。如需要，最底下的径向边界(较接近密封孔30 )可以在其整个轴向长度上基本是直的。通过例子的方式且非限制地，在实施例中，入口轴向深度D4可以是约0.023±0.008英寸，而入口部分190的高度H1可以是约0.062±0.004英寸。
[0028]此外，如图7中大致示出的，端面槽50可以包括副部或应力槽180。区段的针对轴向负载的理论平衡直径通常指定为BD。如所示实施例中示出，应力槽180可以轴向地自次密封表面20偏移，并且可以延伸超过入口轴向深度D4 —附加距离D5。在实施例中，如已示出的，应力槽180可以包括凹陷(undercut，下切)部分200。在其它实施例中，入口部分190可以大致持续轴向地(在同一水平面或略微偏下)至端面槽的轴向延伸部(大体用202标示)。参考密封表面20的所示高度H2，应力槽180可以相对于密封表面20和/或入口部分190的最低的径向边界(较接近密封孔30)具有凹陷或减小的高度H3。如果希望，无论出于制造原因而形成额外的深度还是其它原因，应力槽180的较低的边界可以具有曲线形状，例如大致示出的。通过例子的方式且非限制地，在实施例中，D5可以是约0.027±0.005英寸，H2可以是约0.060±0.003英寸，H3可以在从约0.0100英寸至约0.0140英寸的范围内。
[0029]图8是图7所示的密封环区段的实施例的截面图，其大致示出了施加到密封环区段100两侧的系统压力的应用。在第一侧上，P1大致表示施加于密封环区段100的次密封侧至平衡直径(区段的针对轴向负载的理论平衡直径大致指定为210)的系统压力，P2大致表示未平衡的区域，在该处发生从系统压力到环境压力的压力降。在密封环区段100的相对侧上，P3大致代表施加于密封环区段的背部的系统压力。需注意的是，密封孔30可以是各种标准的构型，或可以包括一个或多个流体动力学特征。图9和10示出了可以与密封环区段结合使用的流体动力学特征的例子。在所示实施例中，可以在倾斜部分230和横向槽240之间设置勺形槽220。然而，所公开的构思并不限于示出的构型，也可以使用本领域技术人员已知的其它变形——包括流体动力学特征构型。
[0030]图11大致示出了用于已分段的密封环的配合壳体250的例子。图11中示出了配合壳体250的一部分的放大的视图。如大体示出的，配合壳体250可以包括如大致示出的孔(所述孔可以构造成容纳与密封环区段相关的销或键)和用于与密封环区段的次密封表面配合的配合部分260。在实施例中，配合部分260的一部分可以包括渐缩部。例如且非限制地,在一实施例中，渐缩部的尺寸T可以是0.0002+0.0002英寸。
[0031]分段密封件的标准设计原则通常假设:在运行期间在端面槽中维持系统压力。包括在图8中的受力图大致描绘了在轴向上作用在密封环区段上的压力/力。因为壳体上的密封表面(参见例如图12中的配合部分260)不会(且通常不能)完全平整一并且实际上可能有意地径向渐缩——所以在整个次密封表面上可能出现微小的泄漏通道。用传统密封环区段一相比而言具有浅的端面槽一容积可能不够与通过次密封表面的流量保持一致。因此，浅槽中的压力可能降至系统压力以下。如果发生这种情况，所述平衡直径会径向向外朝向密封环区段的外部直径移动。作为平衡直径径向向外移动的结果，所形成的轴向负载也会增加。由于容积会被相对更浅的端面槽限制，所以系统压力越大，平衡直径就越可能会随着通过次密封表面的流量的增加而增加。本发明通过提供更深的端面槽，容积可以增加，因此即使在高的系统压力下也可以提供密封操作温度的更大的温降。例如本发明的实施例中所教导的更深的端面槽，可以允许大得多的流量容积一因此其能更充足地供给可用的流体以在理论平衡直径(BD)下更好地保持系统压力。对于本发明的实施例，需注意的是，端面槽的容积可以是传统(相对更浅的)端面槽容积的十倍(或更多倍)。
[0032]下面的等式可以与由于系统压力形成的轴向负载(L)关联:
[0033]L= (((BD2-密封孔2) X π ) /4) X系统压力X压力分布
[0034]因此，随着密封环区段的平衡直径接近密封孔，施加在次密封表面上的轴向负载降低。轴向负载的降低减小了使所述区段径向移动所要求的径向力。这种径向力的减小能够例如改善标准的拱形限界(arch-bound)的分段密封件的跟踪能力。在密封环区段具有流体动力学特征的情况下，这种径向力的减小对于密封孔(例如，当与在高压条件下运行的密封件一起使用时)上的给定的流体动力学衬垫几何构型能够使预估的流体动力学空气膜增加多达50%或更多。因此，在前述端面槽教导上增加流体动力学特征能够提供一区段一该区段在相对更冷的运行密封温度下执行功能且因此可以延长该密封件的运行寿命。
[0035]本发明中已经提供了一些示例性的尺寸。然而，很多尺寸可以由具体的应用和不同的制造者决定。因此，本发明具体实施例的前述描述用于说明和描述的目的。它们并非是穷举的或将本发明限制于所公开的精确形式，并且根据上述教导各种改型和变形都是可能的。被选择和描述的实施例用于解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够使用本发明，具有各种改型的各种实施例可以适于具体预期应用。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同方案限定。
【权利要求】
1.一种用于密封旋转构件的密封组件的区段(100)，该区段(100)包括:径向外表面(120)；用于密封所述旋转构件的径向内表面(140)；端面槽(50);次密封表面(20);和径向进给槽(40)；其中所述端面槽(50)具有自所述次密封表面(20)的表面的轴向深度，该轴向深度大于所述径向进给槽(40 )的轴向深度。
2.根据权利要求1所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度至少是所述径向进给槽(40)的轴向深度的两倍。
3.根据权利要求1所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度至少是所述径向进给槽(40)的轴向深度的三倍。
4.根据权利要求1所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度至少约0.025英寸。
5.根据权利要求1所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度至少约0.047英寸。
6.根据权利要求1所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)在所述次密封表面(20)的轴向位置处具有一径 向长度，所述端面槽(50)包括自所述次密封表面(20)沿轴向偏移的一部分，该部分的径向长度大于所述端面槽(50)在所述次密封表面(20)的轴向位置处的径向长度。
7.根据权利要求1所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的所述部分的径向长度在径向上比所述端面槽(50 )在所述次密封表面(20 )的轴向位置处的径向长度长至少约0.010英寸。
8.根据权利要求1所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)包括入口部分(190)和应力槽(60)。
9.根据权利要求8所述的区段(100)，其特征在于，所述应力槽(60)自所述次密封表面(20)沿轴向偏移至少约0.020英寸的轴向距离。
10.根据权利要求1所述的区段(100)，其特征在于，所述径向内表面(30)包括流体动力学特征。
11.根据权利要求10所述的区段(100)，其特征在于，所述流体动力学特征包括一个或多个隆起衬垫(170)。
12.一种用于密封旋转构件的密封组件的区段(100)，所述区段(100)包括:径向外表面(120)；用于密封所述旋转构件的径向内表面(140)；具有应力槽(60)的端面槽(50);和次密封表面(20)；其中所述端面槽(50)具有自所述次密封表面(20)的表面的轴向深度；所述端面槽(50)在所述次密封表面(20)的轴向位置处具有一径向长度；所述应力槽(60)自所述次密封表面(20)沿轴向偏移；所述应力槽(60)包括具有一径向长度的一部分，该部分的径向长度比所述端面槽(50 )在所述次密封表面(20 )的轴向位置处的径向长度长。
13.根据权利要求12所述的区段(100)，包括径向进给槽(40)。
14.根据权利要求13所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度大于所述径向进给槽(40 )的轴向深度。
15.根据权利要求13所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度至少是所述径向进给槽(40)的轴向深度的两倍。
16.根据权利要求13所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度至少是所述径向进给槽(40)的轴向深度的三倍。
17.根据权利要求12所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度至少约0.025英寸。
18.根据权利要求12所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度至少约0.047英寸。
19.根据权利要求12所述的区段(100)，其特征在于，所述端面槽(50)的轴向深度约0.050±0.003 英寸。
20.根据权利要求12所述的区段(100)，其特征在于，所述应力槽(60)的轴向深度约0.027±0.005 英寸。
21.根据权利要求12所述的区段(100)，其特征在于，所述应力槽(60)的所述部分的所述径向长度在径向方向上比所述端面槽(50)在所述次密封表面(20)的轴向位置处的径向长度长至少约0.010英寸。
22.根据权利要求12所述的区段(100)，其特征在于，所述应力槽(60)自所述次密封表面(20)沿轴向偏移至少约0.020英寸的轴向距离。
23.根据权利要求12所述的区段(100)，其特征在于，所述径向内表面(140)包括流体动力学特征。
24.根据权利要求23所述的区段(100)，其特征在于，所述流体动力学特征包括隆起衬垫(170)。
【文档编号】F16J15/44GK103429938SQ201280011297
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年3月1日 优先权日:2011年3月2日
【发明者】E·N·鲁格里, G·M·贝拉尔 申请人:伊顿公司