用于转子动力泵的挠性浮动环密封装置的制作方法

专利名称：用于转子动力泵的挠性浮动环密封装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及转子动力泵，具体地涉及用于限制流体再循环，以及用于减 损的装置。
背景技术：
例如离心泵等转子动力泵通常为人们所熟知，并在很多种类的产业中用 于抽吸流体并用于很多的应用中。这样的泵通常包括容纳于具有流体入口和 流体出口或排出口的泵壳(非旋转元件)内的叶轮(旋转元件)。叶轮通常 由壳体外部的电机驱动。叶轮位于壳体内，使得进入壳体的入口的流体被运 送到叶轮的中心或眼部。叶轮的旋转首先通过叶轮叶片的动作而作用在流体 上，叶轮叶片的动作与离心力结合，将流体移动到壳体的外围区域以将其从 出口排出。
叶轮叶片的动态作用与因叶轮的旋转而导致的离心力结合而在泵内产 生压力梯度。在较为靠近叶轮的眼部产生较低压力区域，而在叶轮的外径处 和壳体的涡形部分中产生较高压力区域。在旋转和非旋转部件之间的径向延 伸的间隙中存在着从较高到较低压变化区域。在泵内的压力差导致了流体通 过在高压和低压区域之间的径向间隙进行的再循环。通常具有渗漏特点的这 样的流体再循环伴随着导致泵的性能的降低，并且，在存在固体颗粒的情况 下导致磨损急剧地增加。因此，泵被构造成具有各种密封装置，不仅在叶轮 的轴侧上以防止外部泄漏，而且在叶轮的吸入侧上以防止了内部再循环渗 漏。
有效的密封装置为人们所熟知并应用于处理清液的泵中。例如，在
Wauligman等人的美国专利No. 4,909,707中说明了 一种位于叶轮和泵壳之间 的轴向延伸的径向间隙中的浮动壳体环。在Richards的美国专利 No.4,976,444和Gaffal的美国专利No.5,518,256中也说明了类似的浮动密封 环。Kuroiwa的专利No. 6,082,964中公开了 一种受到支撑而因此允许其在周
围的流体中浮动的圈环。这样的密封系统目的在于防止在旋转和非旋转元件 之间的轴向延伸的径向间隙处发生渗漏。这些密封装置也可包括耐磨环元 件。耐磨环的目的之一是减少由接触密封的坚硬部件而引起的磨损。
当泵用于处理泥浆时，泥浆中的磨粒引起泵的旋转和非旋转(也就是， 固定)元件之间的磨损。如上述，当发生流体再循环时，磨损急剧地增加。 因此，为了有效地减少泥浆泵的旋转元件和固定元件之间的流体再循环，并 因此而有效地减少磨损，就需要在泵的旋转元件和固定元件之间使用有效的 密封装置。
先前已经公开了各种泥浆泵的密封装置的例子。已经公开了放置于叶轮 和泵壳之间的基本轴向延伸的径向间隙中的一些密封和/或耐磨环装置。在
Bunjes的美国专利No. 3,881,840和Brodersen等人的美国专利No. 5，984，629 中公开了这样的密封装置，这两个专利都说明了一种形成于泵壳内，与叶轮 上的突出元件相互作用以提供迷宫式密封(labyrinthine seal)和/或耐磨环的 固定环。应注意，因为固体颗粒停留在在旋转和非旋转元件之间的可能性很 高而引起泵中的元件的快速磨损，所以通常轴向延伸的径向间隙并不十分适 合用于处理泥浆。
径向延伸的轴向间隙，或基本上径向延伸的锥形间隙捕获固体的倾向性 大大变小。这样的密封和渗漏限制的装置广泛地使用于泥浆泵中。Addie等 人的美国专利2004/0136825公开了一种位于泵壳上或者在叶轮上，以在叶轮 和泵的壳体之间提供渗漏限制装置的固定突起。
Addie的美国专利No. 6,739,829公开了 一种位于叶轮和泵壳之间的浮动 环元件，其还配置有用于接收冷却和冲洗流体并将其分配到叶轮和泵壳之间 的装置。与其它的密封装置相似，'829专利的浮动环密封希望尺寸被设置成 且被构造成在叶轮和密封装置之间提供间隙，来防止在叶轮旋转过程中密封 和叶轮之间的摩擦，而因此防止了对密封产生磨损。因此，这种设计的必要 部件就是存在沖洗系统。
因此现有密封装置特定地设置成提供具有充足的间隙，使得其不会与泵 的旋转元件发生接触，特别地用来减少或防止密封中的磨损和磨伤。结果， 这样的密封装置仍然易于在泵的旋转元件和固定元件之间出现不希望的流 体再循环以及摩擦。此外，将密封装置放置于靠近叶轮眼部的位置上，在壳 体和叶轮之间的轴向延伸间隙中，这种布置未能提供用于防止固体颗粒停留
在壳体和叶轮之间并防止随后在壳体和叶轮之间的磨损的最有效装置。
因此，提供一种不依赖于冲洗系统，并可有效地限制泵的旋转和非旋转 元件之间的再循环和磨损，并且可使其完美地位于泵内可最有效地限制再循 环和磨损的位置上的相对简单的密封装置，这在本领域中将会是有利的。

发明内容
根据本发明，提供了 一种用于限制在转子动力泵的旋转和非旋转元件之 间的流体再循环和磨损的挠性浮动密封环装置，该挠性浮动密封环装置配置 成跨越在这样的旋转和非旋转元件之间的径向延伸的间隙，对流体再循环和
磨损提供有效的抵抗。在此描述的挠性浮动密封环装置主要用于泥浆类型的 离心泵中以减少磨损，但也可适合用于任何转子动力泵以提高泵的性能。
本发明的挠性浮动密封环装置通常包括由挠性材料制成的环，挠性材料 使得当旋转时环在离心力的作用下径向变形。环被构造成配合于圆形通道 内，该圆形通道包括形成于非旋转泵壳的基本径向延伸的表面中的圆形槽， 和形成于旋转叶轮的基本径向延伸的表面中的圆形槽。挠性环在轴向长度上 的尺寸设置成配合于圓形通道内，并轴向跨越在泵壳和叶轮之间的径向延伸 的轴向间隙。
具体地，挠性环的尺寸设置成具有内径，当叶轮静止(也就是不旋转时)， 且其位于在叶轮中形成的槽的内径上时，提供了挠性环在叶轮槽的内径上的 紧密配合。结果，挠性环的内径略小于叶轮槽的内径，使得当在装配中挠性 环安装于叶轮的槽内时，必须将挠性环稍微拉伸以使其紧密地配合在叶轮槽 的内径上，并且当叶轮静止时不会发生摇晃。
当叶轮进行旋转，挠性环在离心力的作用下径向变形，因此使挠性环与 旋转和非旋转元件中的槽的外径之间的间隙最小化。取决于叶轮的旋转速
度，挠性环可不时地与在固定壳体壁中的圆形通道的外径接触。还取决于旋 转速度，挠性环可以不受叶轮约束的速度进行旋转。结果挠性环具有在圆形
通道内浮动，并使间隙最小化的能力，该能力在这些情况下具有以下优势 对泵的旋转和非旋转元件之间的流体再循环进行限制，且同时也对在研磨材
其间的磨损。
在泵运转的整个过程中，压力差存在于挠性环的一侧上，因此抵抗圓形
通道内的挠性环的向外径向变形。可通过安装于叶轮罩上，向内面朝向径向 间隙，并位于从挠性浮动环位置向外径向的排出或泵出叶片，而有效地緩和 这样的压力差和环进行径向变形的能力。此外，对环的材料性能的选择将影 响到这种径向变形。
置相比，位于在泵的旋转和非旋转元件之间的径向延伸的轴向的间隙中的挠 性浮动密封环装置的特定布置对流体再循环和磨损提供更有效的抑制。


在附图中，示出了目前认为是用于实施本发明的最佳实施方式 图1是转子动力泵的一部分的透视图，示出了本发明的浮动环密封装置 的定位；
图2是泵的一部分的剖视图，进一步示出了本发明中的浮动环密封装置 的定位；
图3是圓形通道的放大视图，示出了使用更具弹性的环的浮动环，其中 旋转元件静止；
图4是圆形通道的放大视图，示出了浮动环密封装置，其中环由弹性较 低的材料制成，并且旋转元件静止；
图5是圆形通道的放大视图，进一步示出了圆形通道的另一实施例中的 浮动环密封装置；
图6是圓形通道的放大视图，示出了当旋转元件以一定速度旋转使得使 压力比离心力占优势时环的位置；并且
图7圆形通道的放大视图，示出了当旋转元件以足够的速度旋转使得允 许离心力与压力的作用达到平衡，从而允许挠性环浮动时的浮动环密封装置。
具体实施例方式
图1和图2示出了总体包括泵壳12的转子动力泵10。示出的泵壳12 通常的结构具有轴向设置的流体入口 14、涡形部分16和切向延伸的流体出 口或排出口 18。在图1所示的泵壳12的特定结构中，泵壳12的结构进一步 设置成具有整体的吸入侧衬套20和整体的驱动侧衬套22(在图1中未示出)。
可选地，泵壳12可形成有独立的吸入侧衬套20和独立的驱动侧衬套22，如 图2中所示。
示出的泵具有的类型是离心泥浆泵类型。然而，在图l和图2中仅以实 例的方式示出了转子动力泵10的结构，并且本发明中的浮动环密封装置并 不局限于用在图中所示出的泵的类型。
泵IO进一步包括在泵壳12内进行旋转的叶轮26。如图2中最佳所示， 叶轮26与延伸穿过泵壳12并使叶轮26进行旋转的驱动轴28相连。叶轮26 被配置成具有从叶轮26的眼部27处或附近(见于图2)向外径向延伸的至 少一个叶片30。叶轮26的结构可具有纟艮大的变化。然而，但J又以实例的方 式，示出的叶轮26进一步配置成具有前罩32和后罩34。如图l最佳所示， 前罩32可构造成具有一个或多个排出叶片36，然而叶轮也可构造成没有排 出叶片。
在本发明中，叶轮26形成有径向延伸的表面40。轴向延伸的槽42形成 于叶轮26的表面40中。同样地，泵壳12,具体地在此示出的吸入侧衬套 20形成有径向延伸的表面44，径向延伸的表面44与叶轮26的径向延伸的 表面40相对且与其间隔开。因此在两个相对的表面40和44之间形成轴向 间隙46，并且沿径向远离叶轮26的转动轴48的方向延伸，如图2中最佳所 示。
泵壳12的径向延伸的表面44同样形成有轴向延伸的槽50，轴向延伸的 槽50与形成于叶轮26的径向表面40中的槽42大体对齐。因此大体对齐的 槽42和50形成了跨越在旋转叶轮26和固定泵壳12之间的轴向间隙46的 圆形通道52 (见于图2)。具体地，叶轮26的槽42形成有内径56，最佳见 于图1中。
环60的尺寸设置成被两个槽42和50所形成的圆形通道52接收，并位 于圆形通道52内。在轴的长度上环60的尺寸^L置成安装于由两个槽42和 50所形成的圆形通道52内，并且环60跨越于在旋转叶轮26和非旋转的泵 壳12之间的径向延伸的轴向间隙46 。
图3提供了位于圆形通道52内的环60的放大视图，并示出了本发明的 另外的一些特征。首先应注意到图3和图4具体地示出了当叶轮26静止或 非旋转时本发明的浮动环密封装置。当叶轮26处于非旋转状态时，可看到 挠性环60的尺寸设置成可使挠性环60的内径62与叶轮26的槽42的内径56相接触。
图3和图4进一步示出了可将叶轮26中的槽42的径向宽度与泵壳12 中的槽50的径向宽度设置成尺寸不同的原则。也就是说，槽42的径向宽度 由槽42的内径56和外径64之间的径向距离来确定。同样地，槽50的径向 宽度由槽50的内径66和外径68之间的径向距离来确定。
如图3中所见，在泵壳12中的槽50的径向宽度可大于在叶轮26中的 槽42的径向宽度。通常，密封件将调节泵的旋转和非旋转元件的径向错位。 在本发明中通过形成具有较宽的径向宽度的泵壳12的槽50而可最佳地调节 在叶轮26和泵壳12中的各自的槽42和50的潜在错位，如图3和图4中所 示。理想地，叶轮26中的槽42与泵壳12中的槽50将基本对齐，使得槽42 的外径64将等于或略小于槽50的外径68，并且槽42的内径56将略小于槽 50的内径66。
但是，如在图5中进一步所看到的，可分别设置槽42和50的尺寸，使 得在泵壳12中的槽50的外径68略小于槽42的外径64 (也就是，通过从泵 的中心轴48进行比较测量而确定)。在如图5中所示的这样的结构中，挠性 环60可不时地与槽50的外径68^妄触，如下面的更为全面的"^兌明。
图3和图4也示出了在挠性环60中使用不同弹性的材料的可选实施例。 具体地，图4示出的挠性环60由弹性较低的材料制成，使得在泵和挠性浮 动密封环形组件中，挠性环60的内径62将与叶轮26中的槽42的内径接触， 但挠性环60的位于泵壳12的槽50中的部分70将不会与槽50的内径66或 外径68中进行接触。
另外，如图3所示，挠性环60可由弹性较高的材料制成，使得当叶轮 26是静止时，挠性环60的位于泵壳12的槽50中的部分70的内径62稍微 向下朝向内径66弯曲下垂，但不与槽50的内径66接触。可注意到图4示 出的也是图3中示出的弹性较高的挠性环60在叶轮26的旋转使得挠性环60 的内径62与槽42的内径56仍然接触，但在挠性环60的位于槽50中的部 分70上施加足够的离心力，以使部分70开始向外进行径向变形时的代表性 的相对位置。
上的离心力的作用下能向外径向变形的弹性材料制成。当叶轮26停止旋转， 或当叶轮26的旋转不足以维持环60的径向膨胀时，环60能够相反地再次 向内径向收缩，使得挠性环60的内径62与槽42的内径56接触。环60可 由任何合适的可提供如所述的径向变形能力的材料制成。 一些示例性的材料 包括但并不局限于低摩擦的聚合物。
图6示出了当叶轮26旋转时挠性环60的初始位置。也就是说，当叶轮 26以较低的速度开始旋转时，因为挠性环60的内径62与槽42的内径56 进行接触的事实，挠性环60开始随着叶轮26进行旋转，如前述。此时，因 压力差而作用在挠性环60上的压力与因旋转而施加于环60上的离心力相比 占有优势，这可导致挠性环60与在泵壳12中的槽50的内径66接触。
随着叶轮26的旋转速度的增加，作用于挠性环60上的离心力导致其径 向向外变形，从而环60的内径62不再与叶轮26中的槽42的内径56或泵 壳12中的槽50的内径66中的任何一个接触。此时，环60浮动于圆形通道 52内，如图7中所示。
在泵的运转中当叶轮26进行旋转时，产生了压力差，使得在挠性环60 的A侧上存在高压，而在挠性环60的B侧上存在低压。从环的A侧施加在 环60上的高压与施加在挠性环60上的离心力达到平衡，从而挠性环60在 圆形通道52中保持浮动状态，如图7中所示。挠性环60在圆形通道52中 的浮动减少了挠性环60与圓形通道52的内壁之间的表面摩擦。
随着挠性环60开始在圆形通道52中浮动，在挠性环60上的离心力下 降，挠性环60将开始再次向内径向变形，并且伴随着在挠性环60的内径62 和叶轮26的槽42的内径56之间发生接触。当这样的接触在挠性环60和槽 42之间发生时，离心力再次作用在挠性环60上，以使其在圆形通道52中浮 动。因此，挠性环60将在圆形通道52中浮动不与叶轮26接触的第一状态 和与叶轮26接触的第二状态之间波动，如所述。这些波动状态也受到叶轮 26的旋转速度的影响。
在挠性环60的A侧和B侧之间的压力差进一步影响着在任何特定时间 挠性环60在圆形通道52中的位置。如图6中所示，例如，当作用在A侧上 的压力与施加在挠性环60上的离心力相比占有优势时，挠性环60可因受到 压迫而与槽42的内径56接触，并且挠性环60的位于泵壳12的槽50中的 部分70可与槽50的内径66接触。再一次，图7示出了作用在挠性环60的 A侧上的压力与施加于挠性环60的离心力达到平衡的情况。
也可注意到施加在挠性环60上的压力差受到存在于沿着叶轮罩的径向
表面布置的排出叶片的存在的影响，以及这些排出叶片的结构和/或其尺度的 影响。也就是说，通常排出叶片的存在会降低施加在挠性环60的A侧上的 压力。同样，排出叶片的径向长度尺度将对压力产生影响，并因此对挠性环
60的径向变形产生影响。
跨越轴向间隙46的挠性环60增加了轴向间隙46对在旋转中的叶轮26 和固定的泵壳12之间的流体再循环的流体阻力。因此，流体再循环的阻力 也增加了对从泵的旋转和非旋转元件之间渗透的流体中的研磨颗粒的阻力， 因此减少了其间的磨损。此外，环60可在圆形通道52中浮动的能力减少了 因摩擦而产生的机械损失，并作为减少了转动速率的结果而减少了环60中 的磨损。
在图1至图5中示出的浮动环密封装置的环60基本具有矩形的4黄截面。 但是，环60可构造成具有与所示出的不同的横截面的几何形状。可通过使 用如模制等任何熟悉的和合适的方法制作环60。同样地，可使用如模制或机 加工等任何合适的方法形成分别形成在泵的旋转和非旋转元件中的槽42和 50。可进一步理解圆形通道52和挠性环60的简单性极大地方便了在泵的装 配过程中浮动环密封装置的装配。
如图2进一步所示，本发明的挠性的浮动环组件74可与泵壳12的吸入 侧衬套20—起使用，如前述，且也可应用于驱动侧村套22中，以提供对流 体循环和在驱动侧衬套22和叶轮26之间的磨损的阻力。
本发明的挠性的浮动环密封装置具体地关注于在处理泥浆的类型的转 子动力泵中使用。但是，本领域的:^支术/v员应理解本发明的挠性浮动环密封 装置所提供的优势，并理解本发明可适合使用于各种类型的转子动力泵中。 因此，
不是以限制的方式，
权利要求
1.一种用于转子动力泵的浮动环密封装置，包括转子动力泵的非旋转元件，具有径向延伸表面和形成于所述非旋转元件的所述径向延伸表面中的槽；泵的旋转元件，具有径向延伸表面，和形成于所述旋转元件的所述径向延伸表面中，与形成于所述非旋转元件中的所述槽基本对齐，从而形成圆形通道的槽；以及挠性环，尺寸设置成配合于所述圆形通道中，所述挠性环可径向变形以在泵处于运转状态时间歇地在所述圆形通道中浮动。
2. 根据权利要求1所述的浮动环密封装置，其中所述旋转元件的槽具 有内径，并且所述挠性环具有的内径略小于所述槽的所述内径，从而当所述 叶轮不旋转时，所述挠性环与所述槽的所述内径接触。
3. 根据权利要求2所述的浮动环密封装置，其中所述挠性环由低摩擦 聚合物制成。
4. 根据权利要求1所述的浮动环密封装置，其中所述旋转元件的所述 槽具有径向宽度，且所述非旋转元件的所述槽具有的径向宽度大于所述旋转 元件的所述槽的所述径向宽度。
5. 根据权利要求1所述的浮动环密封装置，其中所述非旋转元件是泵 的泵壳。
6. 根据权利要求5所述的浮动环密封装置，其中所述泵壳是泵的吸入 侧冲t套。
7. 根据权利要求5所述的浮动环密封装置，其中所述泵壳是泵的驱动 侧衬套。
8. 根据权利要求5所述的浮动环密封装置，其中所述旋转元件是叶轮。
9. 一种用于转子动力泵的浮动环密封装置，包括 泵的固定元件，具有径向延伸表面；泵的旋转元件，具有与所述固定元件的径向延伸表面相对且轴向间隔 开，以在其间形成轴向间隙的径向延伸表面；形成于所述固定元件的所述径向延伸表面中的槽，和形成于所述旋转元 件的所述径向延伸表面中，与形成于所述固定元件中的所述槽基本对齐，从 而提供跨越所述轴向间隙的圓形通道的槽；位于所述圆形通道内且尺寸设置成跨越所述轴向间隙的挠性环。
10. 根据权利要求9所述的浮动环密封装置，其中所述圆形通道具有至 少部分地由所述旋转元件中的所述槽限定的内径，且所述挠性环具有的内径 略小于所述槽的所述内径，以在所述旋转元件不旋转时提供所述挠性环在所 述旋转元件的所述内径上的紧密配合。
11. 根据权利要求9所述的浮动环密封装置，其中所述挠性环在离心力 的作用下径向变形。
12. 根据权利要求11所述的浮动环密封装置，其中所述挠性环还具有 充分的径向挠性，以在压力的作用下在形成于所述非旋转元件中的所述槽内 径向向内变形。
13. 根据权利要求9所述的浮动环密封装置，其中所述旋转元件是叶轮。
14. 根据权利要求9所述的浮动环密封装置，其中所述固定元件是泵的 泵壳的一部分。
15. 根据权利要求9所述的浮动环密封装置，其中所述挠性环位于泵的 吸入侧上。
16. 根据权利要求9所述的浮动环密封装置，其中所述泵壳是泵的驱动侧一于套。
17. 根据权利要求9所述的浮动环密封装置，其中形成于所述固定元件 中的所述槽和形成于所述旋转元件中的所述槽各具有径向宽度，所述固定元 件中的所述槽的所述径向宽度等于或大于所述旋转元件中的所述槽的所述 径向宽度。
全文摘要
一种用于转子动力泵的浮动环密封装置，包括构造成配合在圆形通道内的挠性环，该圆形通道由泵的旋转和非旋转元件中的大体同心槽形成，此外环的尺寸设置成在静态时靠在旋转元件的槽的内径上，并且能在离心力的作用下径向膨胀，而使挠性环在泵操作过程中在圆形通道内浮动，或者在离心力或压力的作用下变形，使得消除或最小化在非旋转元件中的槽与挠性环之间的间隙。
文档编号F04D29/08GK101371047SQ200780002190
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月5日 优先权日2006年1月10日
发明者兰迪·J·科斯米基, 阿列克桑德·S·鲁德尼夫 申请人:威尔斯拉里集团公司