专利名称：平衡式机械密封装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种平衡式机械密封装置，特别涉及一种双平衡式机械密封装置，用于提供转动轴和固定壳体之间的密封。
背景技术：
常规的机械密封装置应用于多种机械设备，以便在转动轴和静止壳体之间提供压力密闭和液密性密封。这种密封装置通常绕转动轴设置，转动轴安装在静止壳体内并由静止壳体伸出。这种密封装置通常在轴的出口处通过螺栓固定至壳体上，从而防止加压作用流体从壳体泄漏。常规的机械密封装置包括表面式机械密封装置，其包括一对绕轴同心设置并轴向相互隔离开的环形密封环。这些密封环每个均具有被偏压形成物理接触的密封面。通常，一个密封环保持静止，而另一个密封环与轴接触并随之转动。相对转动、接触的密封面沿转动轴隔离开并密封加压流体，即作用流体。通过偏压密封环的密封面以使其形成物理接触，密封装置能够防止被压流体泄漏到外部环境。
为了冷却密封装置并有助于防止作用流体通过密封面，通常将第二加压流体(即阻挡流体)导引至与作用流体接触相反的密封面侧面上的密封件。弹簧通常将密封面偏压在一起。在平衡式密封结构中，也使加压流体作用于与密封面相对的限定在密封件侧面上的活塞区，以有助于闭合密封面。这种关系能够使密封面的摩擦接触所产生的热量降至最低，同时，密封面上保持足够高的以确保适当密封的闭合力。同时还期望使密封面之间的接触面积静止最小，以便当密封面彼此相对转动时使产生的热量降至最小。另外，当采用阻挡流体时，采用了一种双重密封结构，在该结构中，利用相对转动阻挡流体任一侧上的密封面，将作用流体限定在密封装置的一端，将阻挡流体限定在密封装置的中心。
在一种现有技术中的双平衡式密封装置中，两种流体都具有通向与密封面相对的密封件的后部，并且，通过提供可在密封件的各个密封面之后的O型环凹槽中滑动的O型环，可获得理想的活塞面积与密封面接触面积的平衡比。因此，O型环在凹槽中滑动，以允许由具有最高压力的流体产生的流体压力作用于与密封面相对的密封件侧面上的适当活塞区。可以将弹簧设置在密封面任一侧上的密封装置内，并且，可以使其受到作用流体和/或阻挡流体的作用。
现有技术中的双平衡式密封组件具有明显的缺点。首先，现有技术中的双平衡式密封装置的活塞区取决于O型环的尺寸和结构。由于O型环的内径和外径限定了各种流体的平衡压力点，因此，密封面的径向接触尺寸必须足够大以证明O型环的厚度。这样便限制了希望最小接触面积来降低热量生成的密封面的设计。
现有技术中的双平衡式密封组件的另一个缺点双平衡式密封装置在反向压力状态下不能有效运转。在反向压力状态下，O型环在其凹槽中滑动以实现密封。此外，较脏且含有污染物的作用流体会导致滑动O型环的界面沾染上污垢或其它颗粒，从而随时间流逝导致磨损和O型环的堵塞，以致对密封性能造成负面影响。
发明内容
本发明提供了一种机械密封装置，其用于在转动轴和静止壳体之间提供液密性密封。机械密封装置包括第一对可相对转动的环形密封件，其用于密封并隔离作用流体和阻挡流体。第一对可相对转动的环形密封件包括一个具有旋转密封面的第一可转动的密封环以及一个具有与旋转密封面接合的静止密封面的第一静止密封环。第一对密封件还包括在第一密封件后侧上的大致径向延伸的活塞区，其用于通过压力将密封面偏压在一起。活塞区至少局部由一与可转动的密封环相连的可动滑闸部件和一套筒限定，该套筒又与转动轴相连。在正常操作状态下，当作用流体压力大于阻挡流体压力时，作用流体在可转动的密封环的第一活塞区A上施加压力，以便将密封面偏压在一起。在反向操作压力状态下，当阻挡流体压力大于作用流体压力时，阻挡流体在可转动的密封环的第二活塞区(如活塞区B)上施加压力，以便将密封面偏压在一起。活塞区小于密封面的整个接触面。第一活塞区与第二活塞区的尺寸基本相等，以便在标准(正)和反向(负)压力状态下，提供一种用于操作的平衡式密封结构。
机械密封装置还可包括第二对环形密封件，其用于在阻挡流体和空气之间提供第二级密封，并在它们之间限定了第二对环形径向延伸的相对的密封面。第二对密封件在第二密封件后侧上包括一对与用于将密封面偏压在一起的密封面相对的第二活塞区。
本发明的机械密封装置可包括一个套筒，第一和第二对可相对转动的密封件，这些密封件在其间具有朝前的第一和第二径向延伸的相对密封面。密封面可在预定的接触区域内彼此接触。套筒在其一端部具有一个凸缘，以便限定可动滑闸部件的止动件。每对密封件的可转动的密封环均组装在套筒上，以与其一起转动。另一个或静止密封环适于与静止构件相连。可动滑闸部件置于套筒凸缘的顶面和第一可转动的内侧密封件上，并响应于压力状态的变化在不同位置之间滑动以限定两个可能的活塞区中的一个活塞区。当作用流体压力大于阻挡流体压力时，即当机械密封装置在标准或正压力状态下操作时，滑闸部件滑向形成在套筒上的滑闸止动件，从而限定一个受作用流体影响的第一活塞区A。当阻挡流体压力大于作用流体压力时，即当密封装置在反向或负压力状态下操作时，滑闸件滑向第一可转动的密封件，从而限定一个受阻挡流体影响的第二活塞区B。作用流体和阻挡流体在密封面上产生闭合力以保持它们之间彼此接触。
最好，本发明的密封装置在与密封面相对的可转动的密封件的侧面上提供了固定的预定活塞区，以便在变化的压力条件下，甚至是在反向压力条件下，在密封面上提供预定且可预测的闭合力。虽然使一个活塞区仅受一种流体的作用，但是，本发明也可采用其它的结构。此外，在不由限定平衡压力点的O型环尺寸产生任何限制的情况下，可以使密封面的接触面积达到最佳。因为可以设计具有较小接触面积的密封面，所以可以使在密封装置工作中产生的热量降至最小。另外，为了施加用以闭合密封面的压力，可动部件滑过不接触肮脏的作用流体的密封装置的界面，因此不易产生堵塞或节流。
根据本发明的一个方面，提供了一种机械密封装置，其用于安装至装有一转动轴的壳体上。机械密封装置包括一个密封套，一具有旋转密封面的可转动的密封环，一具有接合旋转密封面的静止密封面的静止密封环，和一个相对于可转动的密封环和静止密封环中的一个定位的滑闸部件。滑闸部件可响应机械密封装置内压力状态的变化，沿轴向在第一位置和第二位置之间移动。当处于第一位置并受第一压力状态影响时，滑闸部件被安置成与一个密封环的非密封面相邻。当处于第二位置且受与第一压力状态不同的第二压力状态影响时，滑闸部件沿轴向与密封环的非密封面隔离开。
根据本发明的另一个方面，提供了一种将机械密封装置安装到容纳有一转动轴的壳体上的方法。机械密封装置包括一个密封套，至少一对密封件，其至少局部设置在密封套内，所述密封件包括一个具有旋转密封面的可转动的密封环和一个具有接合旋转密封面的静止密封面的静止密封环，以及一个相对于可转动的密封环和静止密封环中一个设置的滑闸部件。该方法包括响应机械密封装置内压力状态的变化，使移动滑闸部件沿轴向在第一位置和第二位置之间运动。当处于第一位置并受第一压力状态影响时，滑闸部件被安置成与一个密封环的非密封面相邻，而当受不同于第一压力状态的第二压力状态影响时，滑闸部件在处于第二位置处时沿轴向与密封环的非密封面轴向隔离开。
通过以下对优选实施例的描述以及权利要求，能够理解本发明的其它特征和优点。
图1A为本发明一个说明性实施例的机械密封装置的剖面图，其中，密封装置中的作用流体的压力大于阻挡流体的压力，即正向或者标准压力状态。
图1B为图1A中密封装置的剖面图，其中，阻挡流体的压力大于作用流体的压力，即反向或负的压力状态。
图2A为图1A的剖面图的一部分的局部放大视图。
图2B为图1B的横剖视图的一部分的局部放大视图。
图3A为本发明另一实施例的机械密封装置的剖面图，其中，密封装置中的作用流体的压力大于阻挡流体的压力，即处于正向或标准压力状态。
图3B为图3A中密封装置的剖面图，其中，阻挡流体的压力大于作用流体的压力，即处于反向或负的压力状态。
图4A为本发明中另一实施例的机械密封装置的剖面图，其中，密封装置中的作用流体的压力大于阻挡流体的压力。
图4B为图4A中机械密封装置的剖面图，其中，阻挡流体的压力大于作用流体的压力。
图5为本发明中机械密封装置的另一实施例的剖视侧视图，其具有一个设置成与静止密封环相邻的滑闸部件。
具体实施例方式
本发明提供了一种安装到装有一转动轴的固定壳体上的机械密封装置。将内侧密封装置的第一密封环设置为双平衡式，以便在不损失闭合力的情况下允许压力变向。下面，将参照说明性实施例对本发明进行说明。本领域技术人员应理解可以以多种不同应用和实施例实施本发明，并且，本发明不局限应于此处所描述的特定实施例。
此处所使用的术语“作用介质”和“作用流体”通常指穿过壳体的介质或流体。在泵的应用中，例如，作用介质是指泵送通过泵室的流体。
此处所使用的术语“轴向”指大致平行于轴线的方向。术语“径向”指与轴线大致垂直或正交的方向。
此处所使用的术语“滑闸部件”指包括任何适合于在机械密封装置内的多个位置之间沿轴向、径向或者这两个方向运动的构件，这些构件用以将适当的闭合压力施加至受不同压力条件(正和/或负压力条件)作用的一个或多个密封环上，以有助于保持密封面的密封接合。滑闸部件可构造成容纳用于密封一种或多种密封流体的一个或多个密封件，或者如果需要也可不装有密封件。根据一优选实施例，此处所用和限定的滑闸部件不意味着涉及只包含一个O型环的部件或装置。虽然此处公开了不同的实施例，但是，滑闸部件可采用多种不同形式的结构。例如，本领域技术人员根据本发明的启示，在考虑了密封装置内的一种或多种压力状态，密封装置的类型，密封环的类型、数量、结构和位置，应用类型及各种其它事项时，可以形成或提供一种合适的滑闸部件结构。本领域技术人员还应认识到可以使滑闸部件位于不同位置处，并且可以不必设置成与可转动的密封环相邻。例如，可以将滑闸部件设置成与静止密封环相邻。滑闸部件也可包括一个或多个部件或构件，因此，其能够组成一个组件或一个组件的一部分。并非组件的所有部件均必须是可移动的。
此处所使用的术语“机械密封装置”是指包括各种机械密封装置，这些密封装置包括一个密封装置，开口密封装置，串联或双重密封装置，气体密封装置，螺旋式密封装置及其它的密封类型和构造。
此处所使用的术语“密封套”是指包括任何适当的构件，这些构件在至少局部包围或容纳一个或多个密封件时能够实现、有助于或协助将机械密封装置固定在壳体上。如果需要，密封套也可提供通向机械密封装置中的流体入口。
参见附图，特别是图1A和1B，本发明中一个说明性实施例的机械密封装置10同心安装在泵轴12上，并通过穿过螺栓接片38的螺栓(未示出)固定到泵壳体14上。轴12沿第一轴线13延伸。机械密封装置10局部延伸至泵壳体14的填料箱18内。机械密封装置10的结构应能在壳体14和轴12之间提供流体密封，从而阻止加压作用流体19由壳体14漏出。流体密封主要是由形成了第一或内部密封的第一对密封件或成对的内部主密封件实现的，所述密封件包括一个可转动的密封环42和一个静止密封环54，每个密封环均具有一个径向延伸的拱形密封面46和58。如下文将更详细描述的那样，将内部主密封件的密封面46和58偏压至彼此密封的关系或将它们偏压至彼此接合。形成第二或外部密封的第二对或成对的外部主密封件包括密封环42’和54’。所述密封环沿轴向与第一对可相对转动的密封件42和54隔离开。第二密封环42’和54’具有密封面46’和58’，这些密封面被偏压至彼此密封以提供辅助密封。第一对和第二对主密封件形成双重或串联式机械密封装置。美国专利号5,213,340，5,333,882和5,203,575披露了常规串联式密封装置的例子，其内容包含在此处参考使用。如下文将详细描述的那样，各个密封面形成了可以在多种操作条件和多种服务范围下可操作的液密性密封。
根据另一实施例，可以将一个或多个密封环42，42’，54，54’分成多个密封环区段，根据已知技术，这些密封环区段具有被彼此偏压至密封关系的分段密封面。
所示出的机械密封装置10包括一个可转动接合到轴12上的套筒20，并装有机械装置10的旋转部件。在套筒20的轴向内侧端部(即插入填料箱18的端部)处，形成在套筒22内周上的第一凹槽22接收第一密封件(如O型环24)，其设置在轴12附近以防止作用流体在套筒20和轴12之间从泵流出。第二密封件，如O型环78，设置在第二凹槽76中，该凹槽沿轴向向外与套筒20内周上的第一凹槽22隔离开，并朝向机械密封装置的外端部，以防止套筒20和轴12之间的阻挡流体泄漏。套筒20在其具有径向延伸面或壁28的内侧端处具有一个凸缘26。该凸缘可与套筒一体成形或可以被设置成一个独立件。可动滑闸部件27和滑闸止动件29设置、覆盖在套筒20的凸缘部分中轴向延伸的外侧径向壁26A上或位于其附近。滑闸部件27的一部分放置在凸缘26上。止动件29可以通过本领域的已知技术与壁26A一体成形或安装在其上。滑闸止动件29的外径小于填料箱18的内径。下面，将对滑闸部件27和滑闸止动件29的细节进行详细说明。
第一可转动的密封环42沿轴向向外并离开凸缘26安装在套筒20上。如图2A和2B所示，可转动的密封环42具有一个比较宽的密封部分48，其从略大于套筒20外径的内径延伸至略小于填料箱18内径的外径。狭窄的沿轴向向外的密封面46从密封部分48伸出并与静止件54的密封面58接合。从可转动的密封环的密封部分48轴向向内设有一个轴向延伸面或台阶49，其外径小于密封部分48的外径，且有助于结合密封部分48限定一个沿轴向向内并沿径向延伸的第一壁52。所述壁位于与密封面46相对的密封部分48侧面上。台阶49终止于轴向向内且径向延伸的第二壁44，该壁44沿轴向向内与壁52隔离开。可转动的密封环42可以包括多个在密封部分48内径上的槽口。槽口可接合在套筒20上的凸起，以便相对于套筒20和/或滑闸部件27锁定可转动的密封环42，从而实现它们之间的转动。
可动滑闸部件27被构造成在抵靠滑闸止动件29的第一位置(如图1A和2A所示)与滑闸部件27抵靠与密封面46相对的第一可转动的密封件42的第一壁52的第二位置(如图1B和2B所示)之间运动。可动滑闸部件27包括一个细长环状环，该环的结构应能滑过套筒20和可转动的密封环42的外表面。滑闸部件27响应机械密封装置内的不同压力状态，在两个位置之间振动或轴向移动。
例如，当密封装置10处于正压力状态时，即当作用流体具有大于阻挡流体的压力时(如图1A和2A所示)，压力差穿过滑闸部件27作用，从而迫使滑闸部件27移向或滑向抵靠滑闸止动件29或位于滑闸止动件29附近的第一位置。当阻挡流体的压力对于作用流体时(如图1B和2B所示)，反向压力差迫使滑闸部件27离开滑闸止动件29并移动至抵靠可转动的密封环42的壁52的第二位置。
滑闸部件27包括一个托架，其在一端形成有一个沿轴向设置的外部27a，并且在比轴向外部27a窄的相对端形成有一个沿轴向设置的外部27b。滑闸部件27的轴向外部27a具有由内表面45A限定的内径，该内径略大于可转动的密封环42的台阶49的外径，并且具有由外表面45B限定的外径，该外径略小于填料箱18的内径，以便轴向外部27a覆盖在可转动的密封环42的台阶49上。第一凹槽32形成于滑闸部件的内表面45A上。具体说，凹槽形成在轴向外部27a中并用于接收在密封装置使作用流体与阻挡流体隔离的第三密封件或O型环35。表面或台阶23从轴向外部27a沿轴向向内设置，其内径大于轴向外部27a的内径并且在与滑闸部件27的前壁21相对的滑闸外部的侧面限定有一个轴向向内的壁53。滑闸部件27的轴向内部27b的内径稍大于凸缘26的外径并且其外径稍小于填料箱18的内径，以便轴向内部27b覆盖并密封凸缘26。滑闸部件包括一个形成在轴向内部27b内表面上的第二凹槽33，其装有一个第四O型环37，以便在机械密封装置10中使作用流体与阻挡流体隔离。
参见图1A-2B，第一对主密封件的可转动的密封环42在其非密封面或其后侧限定了大致沿径向延伸的活塞区A、B。活塞区沿径向与密封面46、58的总接触区对齐并比其小，每一活塞区均为与接触区的主要部分相等的预定区。两个活塞区从密封环的外径径向向内延伸并且与第一可转动的密封件42的内周保持流体连通。第一活塞区A沿径向设置在第二活塞区B外侧并允许作用流体19在密封面46的径向向外部分上施加压力。第二活塞区B允许阻挡流体63在密封面46的径向向内部分上施加压力。径向外侧活塞区A起到作用流体的活塞区的作用，径向内侧活塞区B起到阻挡流体的活塞区的作用。第一可转动的密封件42和滑闸部件27相配合以根据哪种流体具有更高的压力，或允许作用流体经第一活塞区A向第一密封面施加压力，或允许阻挡流体经第二活塞区B向密封面46、58施加压力。每个活塞区均从一种流体向第一对密封面传递净压力。在每种压力状态下，密封面的选定区受到施加或作用于其中一个活塞区上的闭合压力的作用。根据一个优选实施例，大约70％的密封区露出。
例如，当滑闸部件27抵靠滑闸止动件29时，如图1A和2A所示，使滑闸部件27的前壁21沿轴向离开与密封面46相对的第一可转动的密封环42的轴向向内的壁52，以允许流体进入其间，从而在壁52上形成活塞区A。活塞区A由密封面46的径向最外边缘和台阶49限定或测定。活塞区A受到由作用于或输送至密封面46的径向延伸壁52的作用液体产生的力作用。所述力的箭头示意性地表示了至少由作用流体19产生并施加到活塞区A上的闭合力(图2A)。
当滑闸部件27抵靠可转动的密封件42时，如图1B和2B所示，滑闸部件27上的台阶壁53和可转动的密封环一端上的轴向向内的壁44形成了与密封面46相对的活塞区B。更确切地说，活塞区B由密封面46的径向最内侧边缘和滑闸内表面45A限定或测定。阻挡流体63向密封面46的活塞区B上的密封环施加力。该力的箭头示意性地表示了至少由阻挡流体产生并施加到活塞区A上的闭合力(图2B)。滑闸部件27产生或施加作用于处于该位置时的密封环42上的偏压或闭合力，以有助于保持密封面接触。活塞区A和B的尺寸可通过调节密封环42的台阶49的径向长度和滑闸部件27的表面45A来改变。
静止密封环54沿轴向设置在可转动的密封环42的外侧。静止密封环54具有一个较宽密封部分56，该部分具有一个相应较宽的轴向向内的密封面58。较宽密封部分56从略大于套筒20外径的内径延伸到略小于填料箱18内径的外径。在静止密封件54的密封部分56的外侧，第二密封部分55由在相对于密封部分56外径缩小的外径处的台阶60限定，并且在与密封面58相对的密封部分56的后侧上限定有一个轴向向外的壁62。
根据一个优选实施例，静止密封装置54由碳化硅制成，可转动的密封件42由碳制成。本领域技术人员应想到密封件可由其它合适的材料制成且不应局限于碳和/或碳化硅。
参见图1A和1B，第二对密封件42’和54’以与第一对密封件的定位相似的方式，沿轴向从第一对密封件42和54向外设置。第二可转动的密封环42’与第一可转动的密封环42相似，并且其对应的部分由带有上标的相同标号表示。可转动的密封环42和第二可转动的密封环42’之间的差异在于与密封面46’相对的密封部分48’侧面上的轴向向内壁52’。第二可转动的密封环42’的轴向向内壁52’包括两个台阶49a和49b，由此形成两个与密封面46’相对的沿轴向隔开的向内的壁52a’和52b’。如图所示，套筒20放置在第二可转动的密封环42’的至少一部分上。套筒20和台阶49b形成一个凹槽32’，其用于接收一个如O型环35’那样的密封件，以便使密封装置中的阻挡流体与空气或外界环境隔离。
以类似方式，与第一静止密封环54基本上相同的第二静止密封环54’沿轴向设置在第二可转动的密封环42’的外侧，并设有接触第二可转动的密封环54’的密封面46’的密封面58’。第二静止密封环54’的位置由与第一静止密封件54中对应部分相同的带有上标的标号表示。
机械密封装置10最好包括一个用于容纳一个或多个密封件的密封套90，以便提供将阻挡流体导引至第一和第二对密封件中至少一个的流体通道。阻挡流体将热量从密封面带走，以减小密封面上的热应力的影响，并进一步促进防止作用流体通过密封面。密封套90位于固定箱14的中心并固定在其上。密封套具有内表面41，其沿径向与套筒的外表面51隔离开，以限定阻挡流体的腔室65。为了防止作用流体的泄漏，密封套90包括一个用于容纳密封件的常规凹槽。特别是，所示出的密封套90包括一个设置在内侧端(即朝向壳体14的端部)的槽94，其尺寸和结构应能固定一个以面对接合壳体14的方式安装就位的较平坦的垫圈96。所示出的密封套90还包括一个位于槽97内部的O型环95。所示出的垫圈96能够防止作用流体在壳体14和机械密封装置10之间产生泄漏。所示出的O型环95能够防止阻挡流体的泄漏。
根据另一实施例，密封套90包括一对基本相同的密封套区段，或者包括一个具有几个密封套区段的组件。
所示出的密封套90还包括多个螺栓接片38，这些接片从该处向外延伸，以便将密封套和密封组件安装到泵壳体14上。螺栓接片具有主体，该主体具有一个整体形成的嵌片突起，其适于安装在形成于密封套90外表面上的环形槽内。通过使嵌片突起在槽中滑动，可以调节螺栓接片38的角度位置。通过使安装螺栓(未示出)位于相邻的接片之间，螺栓接片38有助于将机械密封装置固定到壳体14上。在使用中，将安装螺栓嵌入一对相邻的螺栓接片之间。在转让给其受让人的美国专利No.5,209,496中对螺栓接片38作了更详细的说明，其在本申请中可结合作为参考。
密封套90还包括一个形成在密封套的内外表面之间的齐平端口110。齐平端口110最好允许形成在密封套90和套筒20之间的腔室65与外界或与其结合的任意选定的流体源的连通。齐平端口110可具有任意选择的结构，并且为了便于连接到任意适合的流体管道上，最好带有螺纹。齐平端口110可用来将阻挡流体63导引至腔室65。
如图所示，密封套90与第一静止密封环54形成第一凹槽91，并与第二静止密封环54’形成第二凹槽91’。凹槽91、91’分别接收O型环93、93’，从而在密封套90和静止密封环54、54’之间提供了密封。安装在槽76内的O型环78、O型环35’和O型环93’一起协助使阻挡流体与空气压力隔离。
锁定环66安装套筒20的外端上，并且以机械方式将套筒20连接到轴12上。锁定环66可包括一个径向加大的外端，其设有螺纹孔，所述螺纹孔与用于接收将密封组件锁定到与其一起转动的轴12上的紧固件的孔相匹配。锁定环66的加大端部还具有与套筒20中的孔相匹配的螺纹孔，以便接收具有圆柱端的螺纹件，所述圆柱端适于在组装在泵中之前沿轴向设置密封件。
在操作中，套筒20和轴12一起转动，并带有第一和第二可转动的密封环42和42’，以及锁定环66和密封装置10中的其它可转动件。通过一个接合密封套90的凸耳，将静止密封件54和54’保持在一静止位置处。作用流体在密封件42、54的外径和填料箱18的内径之间运动。阻挡流体循环通过腔室65。相对旋转密封面46、58密封在静止/转动接触面处的作用流体，O型环81密封作用流体以防止其超过静止密封件54。第二密封件中相对旋转密封面46’、58’密封该密封装置10内的阻挡流体。
当作用流体的压力大于阻挡流体的压力时(标准操作或正压力状态)，如图2A所示，由压力差产生的净压力向滑闸止动件推动滑闸部件27，以便使滑闸部件抵靠滑闸止动件29。作用流体在活塞区A上施加压力，从而将闭合力传递到旋转密封面46，以确保可转动的密封环42和静止密封环54之间的液密性密封。活塞区A在第一密封件42上的台阶49的固定外径和旋转密封面46的固定外径之间延伸。
当阻挡流体的压力大于作用流体的压力时(反向操作或负压力状态)，如图2B所示，阻挡流体朝密封环42推动滑闸部件27，以便使滑闸部件27的前壁21抵靠第一可转动的密封环42的轴向向内的壁52。阻挡流体在活塞区B上施加压力，从而将闭合力传递到旋转密封面46，以确保在可转动的密封环42和静止密封环54之间形成液密性密封。活塞区B从密封面46的固定内径延伸到可动滑闸部件27上的台阶23的固定内径。
取决于哪种流体的压力更大，O型环35在凹槽32内自由移动。自由移动有助于活塞区的形成和将闭合力作用于密封面上。
通常具有比大气压高的压力的阻挡流体向活塞区A’(其由与第二可转动的密封环42’上的密封面46’相对的壁52a’、52b’限定)施加压力以将第二密封面46’、58’偏压在一起(如图1A和1B所示)。
每一活塞区均由相关壁重叠密封面的接触面的范围限定。在双平衡式密封装置中，在标准操作状态下施加在密封面上的闭合力最好等于在反向操作状态下施加在密封面上的闭合力。可以设计每种压力状态下的活塞区以获得理想的密封面46、58接触面积的百分比。活塞区A优选等于密封面46、58的接触面积的50％～100％。活塞区A优选为密封面46、58的接触面的大约60％～80％，最好为大约70％。分别通过密封面46、58和凹槽32、33和91中的O型环35、37和93，使通过密封套90的端口110进入的阻挡流体与作用流体隔离。阻挡流体穿过腔室65并且在活塞区B和A’处，将压力施加到可转动的密封件42、42’中与密封面46和46’相对的侧面上的壁52、52’上。这些活塞区分别包括密封面46、58和46’、58’的接触面的大约50％～100％，或优选为大约60％～大约80％，或最好为大约70％。
密封面的接触面积最好不受O型环尺寸的限制，因此O型环应是独立的，并且，可以将O型环可设计成尽可能的合理以使产生的热量减至最低。可转动的密封件42、42’的活塞区A、A’(来自作用流体和阻挡流体的压力分别施加在该处)中的每一个均稍小于与静止密封件54接触的密封环42的表面面积(来自作用流体的压力施加在其上)。不管是在标准操作状态下还是在反向操作状态下，本发明的说明性实施例的密封装置始终在密封面上产生净闭合力。
另外，可移动滑闸部件和可转动的密封件42之间的界面是一个光洁表面。因此，可移动滑闸部件27不会滑过脏的表面，从而能够到达减小滑闸部件的磨损并防止随时间流逝所造成的堵塞。
图3A和3B显示了本发明另一实施例的用于将静止壳体14安装到转动轴12上的机械密封装置100。虽然图3A和3B的机械密封装置100安装在密封套90内，但是本领域的技术人员应意识到密封装置100可位于相对于密封套90的任意适当位置处。如图3A和3B所示，第二对可相对转动密封件或环460’和540’沿径向向内与密封装置100中的第一对可相对转动的密封件460和540隔离开。在图3A中，作用流体具有高于阻挡流体的压力，在图3B中，阻挡流体具有高于作用流体的压力。
机械密封装置100的对应部件的结构与图1A和1B中所示的机械密封装置10相似。例如，可转动的密封环的结构与图1A和1B中机械密封装置的可转动的密封环10大致相同，只是相互之间的位置不同。
机械密封装置100包括一个可动滑闸部件270，其被构造成重叠并密封在旋转套筒200的凸缘260和第一可转动的密封件460上。滑闸部件270与滑闸部件27基本相同。与图1A-2B所示的滑闸部件27相似，响应于改变的压力状态，滑闸部件270在滑闸止动件290和第一可转动的密封件460的后表面520之间滑动。滑闸部件270限定并露出活塞区A1、B1，以便将密封面480、580偏压在一起。
如图3A所示，当作用流体的压力大于阻挡流体的压力时，向滑闸止动件290推动可动滑闸部件270并使其抵靠在滑闸止动件290。滑闸部件的前壁210与第一可转动的密封件460的后壁520隔开以允许作用流体进入其间，从而限定活塞区A1。通过活塞区A1，作用流体向密封面480、580施加闭合力。
如图3B所示，当阻挡流体的压力大于作用流体的压力时，穿过滑闸部件270的压力差向前推动滑闸部件，以便滑闸部件的前壁210抵靠第一可转动的密封件420的后壁520。滑闸部件限定了壁440和530上的活塞区B1，该活塞区将闭合力传递到密封面460、580上。较高压力的阻挡流体在活塞区B1施加压力，该压力传递至密封面上。这些活塞区A1，A1’和B1分别包含相应密封面的接触面的大约50％～100％，优选为大约60％～大约80％，最好为大约70％。
图4A和4B显示了本发明另一实施例的机械密封装置1000，其用于将固定壳体14安装在转动轴12上。在图4A和4B的机械密封装置1000中，第二对可相对转动的密封件4200’和5400’沿径向向内与第一对可相对转动的密封件4200和5400分离。在图4A中，作用流体具有比阻挡流体更大的压力，而在图4B中，阻挡流体具有比作用流体更大的压力。
如图所示，机械密封组件1000包括第一对相对旋转的密封件，它们用于在阻挡流体和作用流体之间提供流体密封。机械密封组件1000包括第二对可相对转动的密封件4200’和5400’，它们沿轴向与第一对相对可转动的密封件匹配并沿径向设置在其内侧。所述密封组件还包括一个与轴相连的套筒2000，其包括一个凸缘2600和一个用于密封作用流体以免其沿轴流动的凹槽2200中的第一O型环2400，以及一个与静止壳体14相连的密封套9000，其包括一个凹槽9500中的垫圈9600，该垫圈用于相对于壳体密封所述密封套。密封组件还包括一第一弹簧98和一第二弹簧99，它们用于分别在第一密封面4600、5800和第二密封面4600’、5800’上提供初始偏压力。
在限定了滑闸部件2700的止动件的凸缘和第一可转动的密封件4200之间设有一个可动滑闸部件2700。滑闸部件2700的结构与滑闸部件27和270不同。图示的滑闸部件2700包括一个托架，其具有第一端部270，该端部具有一个安装密封件2704的凹槽2702。滑闸部件还包括一个第二后部2712，其设置在套筒2000的凸缘部分内。
根据密封装置1000的压力状态，可动滑闸部件限定了活塞区A2或B2。滑闸部件2700包括一个主体2701，一个轴向前部2702和一个连接主体和轴向前部的颈部2703。套筒包括两个臂2001和2002。第一臂2001包括一个凹槽2005，其具有一个用于密封主体2701的外表面的O型环2006。第二臂2002包括一个凹槽2007，其具有一个用于密封第二可转动的密封件4200’的O型环。滑闸部件2700的轴向前部2702包括一个凹槽2710，其具有一个用于在密封装置1000中使作用流体与阻挡流体密封隔离的O型环2711。
如图所示，当作用流体的压力较大时，可动滑闸部件2700抵靠第一臂2001，以允许作用流体进入第一可转动的密封件4200的轴向向内的壁5200和滑闸部件2700的前表面之间的空间，并在由壁5200限定且包括密封面的接触面积的50％～大约100％的活塞区A2上施加压力。当阻挡流体的压力较大时，可动滑闸部件抵靠第一可转动的密封件的轴向向内的壁5200。可动滑闸部件的轴向向内的壁2750限定了一个将力从阻挡流体传递至密封面的活塞区B2。活塞区B2优选为密封面的接触面积的大约50％～大约100％。活塞区A2和B2优选包括密封面的接触面积的大约60％～大约80％，最好为密封面的接触面积的大约70％。
根据本发明的另一实施例，一种机械密封装置包括一个滑闸部件，其设置成与可转动的密封环相邻以响应一种压力状态限定一个活塞区，例如，如图5所示。在图5中，机械密封装置10000包括一个与轴相连的套筒20000，其固定了机械密封装置10000的旋转部件。利用O型环35000和销36000或其它合适的装置，将第一可转动的密封环42000安装在套筒20000上。第一静止密封环54000与静止密封套件90000相连并接合第一可转动的密封环42000以形成一个密封界面。形成第二或外部密封的第二对或成对的外部主密封件包括密封环42000’和54000’。第二密封环42000’和54000’具有密封面，所述密封面相互被偏压成密封关系以提供辅助密封。第一对和第二对主密封件形成了双重或串联式机械密封。可动滑闸部件27000与第一静止密封件5400相连，以便响应密封装置10000内的不同压力状态，限定位于第一密封环42000和54000的密封面上的不同活塞区。
如图所示，滑闸部件27000包括一个用于接收插入密封套90000内的销90027的轴向孔27001。销90027可防止滑闸部件27000的旋转运动，同时可以使滑闸部件27000响应不同的压力状态而沿轴向滑动。滑闸部件27000优选包括一个设置在凹槽内的O型环2710，其用于接合第一静止密封件的轴向延伸面54027。在图5所示的实施例中，响应不同的压力状态，滑闸部件27000的轴向内部滑过静止密封环54000的轴向外部上的轴向延伸面54027。
例如，在正常操作状态下，当作用流体的压力大于阻挡流体的压力时，作用流体相对于静止密封件54000，将滑闸部件27000推向第一位置，以露出第一活塞区。第一活塞区将来自作用流体的闭合力传递至第一密封件上的密封接触面以将密封面偏压在一起。在反向操作的状态下，当阻挡流体的压力大于作用流体的压力时，阻挡流体相对于静止密封件，将滑闸部件推向第二位置，从而露出用于将密封面偏压在一起的第二活塞区。
可以弹性偏压滑闸部件27000以有助于滑闸部件在第一和第二位置之间滑动。
在图5所示的实施例中，使用与静止密封件结合的滑闸部件能够使第一和第二密封件具有相同的结构，即不必为容纳滑闸部件而改进密封件的结构。这种可具有相同结构的第一和第二密封件的能力有助于机械密封装置的存储、组装和修理。
本发明使用了可动滑闸部件以便在多种压力状态下，甚至上在反向压力状态下，能够限定在第一密封件后部的活塞区。机械密封装置的结构能够通过一选定活塞区在密封面上提供闭合力。活塞区对于所有的压力状态而言，均保持恒定且通常小于密封面的接触面积。
本发明与现有技术的双平衡式机械密封装置相比具有显著的优点。无论压力如何变化，或者即使压力在被密封的流体中转换方向，本发明的密封装置仍能密封面上保持净闭合力。该闭合力与O型环的尺寸、结构和位置无关。另外，为了偏压密封面，滑闸部件在光洁表面上滑动，从而能够减少堵塞、改善性能并延长密封装置的使用寿命。
已根据一个说明性实施例对本发明进行了说明。由于在不脱离本发明的范围的情况下，可以在上述结构中进行一些改进，因此，应想到以上说明书中包含或附图中显示的所有内容均是说明性的，而并非限定性的。
还应当理解以下的权利要求书包括此处所述的本发明的所有一般性和特殊的特征，由于语言问题，本发明范围的所有描述均应落入其间。
权利要求
1.一种机械密封装置，其用于安装到装有一转动轴的壳体上，所述机械密封装置包括一个密封套；至少一对密封件，它们至少局部设置在密封套内，所述密封件包括一个具有转动密封面的可转动的密封环，和一个静止密封环，其具有一个接合旋转密封面的静止密封面；和一个滑闸部件，其相对于可转动的密封环和静止密封环中的一个设置，并可响应机械密封装置内压力状态的变化，在第一位置和第二位置之间沿轴向移动，其中，当位于第一位置并处于第一压力状态下时，所述滑闸部件沿轴向与一个密封环的非密封面隔离开，当位于第二位置并处于与第一压力状态不同的第二压力状态下时，所述滑闸部件被安置成与密封环的非密封面相邻。
2.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中当响应一个压力状态而设置在至少一个所述位置时，滑闸部件产生偏压力。
3.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中滑闸部件设置成与可转动的密封环相邻。
4.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中滑闸部件设置成与静止密封环相邻。
5.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中滑闸部件包括一个托架，其具有一个第一端部，其适于设置成与第一和第二密封环中一个密封环的非密封面相邻；和一个与第一端部相对的第二端部。
6.根据权利要求5所述的机械密封装置，其中所述托架还包括一个用于固定密封件的凹槽。
7.根据权利要求6所述的机械密封装置，其中所述密封件为O型环。
8.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中滑闸部件包括一个壳体，其具有在其中形成的用于固定密封件的一个或多个凹槽。
9.根据权利要求8所述的机械密封装置，其中所述壳体包括分别用于安装第一和第二密封件的第一和第二凹槽。
10.根据权利要求1所述的机械密封装置，其还包括一个适于绕轴安装的套筒，所述套筒包括一个凸缘部分，其中，滑闸部件设置在凸缘和可转动的密封环之间。
11.根据权利要求10所述的机械密封装置，其中所述第一压力状态为正压力状态，滑闸部件在正压力状态期间设置在第一位置处，以便滑闸部件的第一端沿轴向与可转动的密封环的非密封面隔离开。
12.根据权利要求10所述的机械密封装置，其中第二压力状态为负压力状态，滑闸部件在负压力状态期间设置在第二位置处，以便滑闸部件的第一端接触可转动的密封环的非密封面。
13.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中滑闸部件具有一个在可转动的密封环上的第一径向延伸活塞区，其用于在第一压力状态下将可转动的密封环偏压在静止密封环上，以及一个在可转动的密封环上的第二径向延伸活塞区，其用于在第二压力状态下将可转动的密封环偏压在静止密封环上。
14.根据权利要求13所述的机械密封装置，其中第一活塞区由一个密封环中的径向延伸密封面的外缘和滑闸部件的轴向延伸内表面限定。
15.根据权利要求13所述的机械密封装置，其中第二活塞区由一个密封环的径向延伸密封面的内缘和滑闸部件的轴向延伸内表面限定。
16.根据权利要求13所述的机械密封装置，其中作用流体在第一活塞区上施加力。
17.根据权利要求13所述的机械密封装置，其中阻挡流体在第二活塞区上施加力。
18.根据权利要求1所述的机械密封装置，其还包括一个第一活塞区，其由一个密封环的径向延伸密封面的外缘和滑闸部件的轴向延伸内表面限定，和一个第二活塞区，其由一个密封环的径向延伸密封面的内缘和滑闸部件的轴向延伸内表面限定。
19.根据权利要求18所述的机械密封装置，其中第一活塞区和第二活塞区的尺寸大致相等。
20.根据权利要求18所述的机械密封装置，其中第一活塞区和第二活塞区小于旋转密封面和静止密封面的接触面积。
21.根据权利要求18所述的机械密封装置，其中第一活塞区和第二活塞区为旋转密封面和静止密封面的接触面积的50％～100％。
22.根据权利要求18所述的机械密封装置，其中第一活塞区和第二活塞区大约为旋转密封面和静止密封面的接触面积的70％。
23.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中密封套包括用于将阻挡流体导引至密封装置的装置。
24.根据权利要求1所述的机械密封装置，其还包括沿轴向向外离开第一对密封件的第二对密封件，所述第二对密封件包括一个可转动的密封环和一个静止环。
25.根据权利要求1所述的机械密封装置，其还包括一个适于绕所述轴安装的套筒，所述套筒包括一个凸缘部分，以及一个设置在套筒的凸缘部分的外表面上的滑闸止动件，其中，所述滑闸部件设置在滑闸止动件和可转动的密封件之间。
26.根据权利要求25所述的机械密封装置，其中第二压力状态为负压力状态，滑闸部件在负压力状态期间位于第二位置处以便滑闸部件的第一端接触可转动的密封环的非密封面。
27.根据权利要求26所述的机械密封装置，其中滑闸部件接触可转动的密封环的非密封面。
28.根据权利要求25所述的机械密封装置，其中所述第一压力状态为正压力状态，并且滑闸部件具有一个与一个密封环的非密封面相邻的第一端和一个与滑闸止动件相邻的第一端相对的第二端，并且滑闸部件在正压力状态期间位于第一位置处，以便滑闸部件的第二端接触滑闸止动件。
29.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中当密封装置中的作用流体的压力大于密封装置中的阻挡流体的压力时，滑闸部件在第一压力状态下抵靠滑闸止动件，以便在可转动的密封环的非密封面上限定第一活塞区。
30.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中当密封装置中的阻挡流体的压力大于密封装置中的作用流体的压力时，滑闸部件在第二压力状态下抵靠可转动的密封环的非密封面，以便在可转动的密封环的非密封面限定第二活塞区。
31.根据权利要求1所述的机械密封装置，其中，所述滑闸部件包括一个轴向外部，其被构造成重叠并密封可转动的密封环的台阶部分，轴向外部的内径略大于可转动的密封环的台阶部分的外径；一个轴向内部，其比构造成重叠并密封套筒的凸缘的轴向外部狭窄；以及一个台阶，其在轴向内部和轴向外部之间限定了一个径向延伸的壁。
32.一种用于将机械密封装置安装在装有一转动轴的壳体上的方法，其中，所述机械密封装置包括一个密封套；至少一对密封件，这对密封件至少局部设置在密封套内，所述密封件包括一个具有转动密封面的可转动的密封环，和一个静止密封环，其具有一个接合旋转密封面的静止密封面；以及一个滑闸部件，其相对于可转动的密封环和静止密封环中的一个设置，该方法包括响应于机械密封装置中压力状态的变化，沿轴向使滑闸部件在第一位置和第二位置运动，其中，所述滑闸部件在位于第一位置并处于第一压力状态下时，被安置成与密封环的非密封面相邻，并且在位于第二位置并处于与第一压力状态不同的第二压力状态下时，沿轴向与密封环的非密封面隔离开。
33.根据权利要求32所述的方法，其还包括响应第一和第二压力状态中的一种状态，在处于第一和第二压力状态中的至少一种状态时，由滑闸部件产生偏压力。
34.根据权利要求32所述的方法，其还包括将滑闸部件设置成与可转动的密封环相邻。
35.根据权利要求32所述的方法，其还包括将滑闸部件设置成与静止密封环相邻。
36.根据权利要求32所述的方法，其中机械密封装置包括一个适于绕轴安装的套筒，所述套筒包括一个凸缘部分，并且，滑闸部件设置在凸缘和可转动的密封环之间，其包括当在密封装置中出现正压力状态时，滑闸部件处于第一位置处，以便滑闸部件的第一端沿轴向与可转动的密封环的非密封面隔离开，并且，当在密封装置中出现负压力状态时，滑闸部件处于第二位置处，以便滑闸部件的第一端沿轴向设置成与可转动的密封环的非密封面相邻。
37.根据权利要求32所述的方法，其还包括在可转动的密封环上限定第一径向延伸活塞区，以便在第一压力状态下将可转动的密封环偏压在静止密封环上，以及在可转动的密封环上限定第二径向延伸活塞区，以便在第二压力状态下将可转动的密封环偏压在静止密封环上。
38.根据权利要求32所述的方法，其还包括通过一个密封环的径向延伸密封面的外缘和滑闸部件的轴向延伸内表面限定第一活塞区，通过一个密封环的径向延伸密封面的内缘和滑闸部件的轴向延伸内表面限定第二活塞区。
39.根据权利要求38所述的方法，其中第一活塞区和第二活塞区的尺寸大致相等。
40.根据权利要求38所述的方法，其中第一活塞区和第二活塞区小于旋转密封面和静止密封面的接触区。
41.根据权利要求38所述的方法，其中第一活塞区和第二活塞区为旋转密封面和静止密封面的接触面积的50％～100％。
42.根据权利要求38所述的方法，其中第一活塞区和第二活塞区大约为旋转密封面和静止密封面的接触面积的70％。
43.根据权利要求32所述的方法，其中所述密封装置还包括一适于绕轴安装的套筒，所述套筒包括一个凸缘部分，滑闸止动件设置在套筒的凸缘的外表面附近，其包括将滑闸部件设置在滑闸止动件和可转动的密封环之间。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，第一压力状态为正压力状态，其包括滑闸部件在正压力状态期间设置在第一位置处，以便滑闸部件的一端接触滑闸止动件。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，第二压力状态为负压力状态，其包括滑闸部件在负压力状态期间设置在第二位置处，以便滑闸部件的一端接触可转动的密封环的非密封面。
全文摘要
一种用于在转动轴和固定壳体之间提供液密性密封的机械密封装置，包括用于密封和分离作用流体和阻挡流体的第一对密封件。第一对密封件包括一个具有旋转密封面的第一可转动的密封环，和一个具有接合旋转密封面的静止密封面的第一静止密封环。第一对密封件还包括在第一密封件后侧的大致沿径向延伸的活塞区，其用于将密封面偏压在一起。活塞区由一个连接到可转动的密封环上的可动滑闸部件和一套筒限定，该套筒又连接到转动轴上。在正常操作状态下，滑闸部件移动到第一位置，以允许作用流体在第一活塞区上施加压力，从而将密封面偏压在一起。在反向操作状态下，当阻挡流体压力大于作用流体压力时，滑闸部件移动到第二位置，在该位置处，其与阻挡流体一起在第二活塞区上施加压力以将密封面偏压在一起。
文档编号F16J15/34GK1985115SQ200480010616
公开日2007年6月20日 申请日期2004年3月1日 优先权日2003年2月28日
发明者H·V·阿兹伯特 申请人:A.W.切斯特顿公司