专利名称:可控机械密封件的制作方法
本发明一般与一种机械密封件有关，用来密封流体机械外壳中的旋转轴，防止流体沿轴泄漏。具体有关一种可迭机械密封件，其隔离两个密封面元件的薄润滑液膜的厚度，由外部通入的电压控制。
为了有助了解本发明，其运转和优点，也许适宜对机械密封作一般讨论。如熟悉本技艺领域者可以理解，机械密封是由两个面元件形成。一个元件固定在准备密封的机械的壳体上，另一个固定在轴上随轴旋转。一个元件静止，因此没有相对于轴的轴向活动。另一个则沿轴作轴向活动，因此被称为浮动面元件。面元件有互相相对放置的关系，因此两者之间的安排，是随流体压力，或弹簧压力，或两种压力反应，产生密封关系，防止沿轴泄漏。
据发现成功的机械密封之取得，不在于元件之间的直接具体接触，而在于在稳定运转状态下，两元件的相对面的表面之间，有润滑液薄膜形成。这液膜防止或降低元件直接机械接触造成的磨损，从而避免密封件有机械损坏或失效的可能性。然而液膜的厚度不能过大，过大则造成过多的泄漏。
另外，据发现液膜厚度决定于密封面元件表面的实际几何形状。具体而言，假如两个密封面元件的表面完全平坦而平行，使两者之间形成一个均匀一致的间隙，浮动元件可以移向静止元件作紧密接触。那么液膜将被破坏，造成液膜的零厚度。为了保持一个有限液膜厚度，以防这种破坏，间隙中的液压必须能产生足够大的张开力，倾向于把浮动元件推离固定元件。为此，必须使相对表面不平行，而必须从密封高压侧向低压侧在径向上互相趋近。如这会聚度增高，张开力便增高，膜厚度便增大。与此相似，假如会聚度减小，液膜厚度也减小。
一般而言，机械密封件制造时，而元件的设计中要求在机器的稳定状态运转时，表面有预定的会聚度，把元件预期的热变形和机械变型都估计在内。这样可以实现合理的膜厚。应该理解到膜的厚度相当小，约在50-200微英寸之间。变形也同样很小，约在20-100微英寸范围内。过去，传统的机械密封件的设计和制造，密切注意以一切可以预期到的变形为基础，以利产生称定状态运转的容许膜厚。膜厚决定密封件的设计特点，诸如材料类型，结构形式等等，以及运转条件，诸如温度，压力，速度，载荷和流体特征等。因此，一旦密封件开始工作，膜厚便无法控制。因此，传统密封件在经历变化范围大的运转条件时，包括瞬间条件变化，便会蒙受表面损伤和磨损。
因此希望能提出一种可控的机械密封件，其分隔两个密封面元件的流体薄膜的厚度，可用外部装置控制。假如能提供这种可控制的特点，膜的厚度便可以随运转条件的变化而变化，在条件的广泛变化范围内保持最佳液膜厚度。
1969年3月18日颁发威斯(W.J.Wiese)的美国专利第3，433，489叼，已转授与本申请案的同受授人，该专利揭示了一种机械密封组合件，其中有一个收集夜静更深 ，在一个密封表面元件中形成。从元件上流过的流体，收集在收集环中，流入一个压力控，在某种运转条件下产生一个流体压力。把这流体压力加在有压力腔的元件上，目的是控制通过元件的泄漏。
1976年4月6日颁发基奥里(E.J.Gyory)的美国专利第3，948，530号受授人也和本申请案同，揭示了一种可在外面调节的机械密封件，其液静压作用在静密封元件外表面上的两个有轴向间隔的压力压上。压力区和压力通道接通，压力通道有适当的阀，调定通向一个或两个压力区的高压，低压或大气压。结果，元件变形，形成密封表面的全表面接触，内径表面接触，或外径表面接触。
1984年3月6日颁发阿尔伯斯等人(Albers， et al)的第4，434，987号美国专利，揭示了一种密封器件，其中有一个密封环随轴旋转。这旋转密封环有一个和一个壳体连接的不旋转但可以滑动的密封环，围绕它的径向伸展表面和在其圆周上伸展的表面。不旋转密封环和传感器连接，感测每一径向平面间隙的宽度。控制装置随传感器反应，促动一个电磁铁，电磁铁产生磁力，使不旋转密封环滑动，为的是保持径向平面间隙的选定宽度。
在本技艺领域中对可控机械密封件有一个要求，即其分隔两个密封表面元件的润滑液薄膜的厚度，可由外部产生的力，加在至少一个元件上进行控制使元件的表面变形。对这变形作控制，使相对表面的会聚度可以调节。这样张开力便可以调节，从而可以在宽阔的运转条件变化范围中，取得最佳化的液膜厚度。
本发明针对的就是这种要求。为此，本发明揭示了一种液体机械的可控机械密封件，有一个壳体和一个与壳体相对旋转的轴。密封件有一个第一面元件，可随轴旋转，有一个第二面元件由壳体支承。第一及第二元件分别确定第一及第二表面。元件中之一个沿轴滑动，向另一元件靠近或远离，形成两表面之间的间隙。有适当的装置把一个元件向另一元件偏压。设有装置调节表面之间的会聚度，改变间隙中压力形式的变化，从而使间隙的宽度变化。
本发明的目的和优点，结合附圆阅读下文的详细叙述，便可全然子解，相应的部件用相同的标图号标本，附图内容如下图1为按本发明原理构造的可控机械密封件的纵向剖视;
图2为适用于图1密封件的压电促动器的剖视;
图3为适用于图1密封件的另一形式的压电促动器剖视;
图4为按本发明原理构造的可控机械密封件第二实施方案的纵向剖视;
图5为适宜配合图1和4中可控机械密封件使用的控制系统方框图;
图6为一非按比例的放大纵向剖视，图示本发明可控机密封件第一及第二面元件之间的间隙。
参见附图中各视图的细节，图1示流体机械10，其中有壳体12容纳流体。壳体12有一个孔14，轴16从中穿过，轴16绕其纵向轴线A，相对于壳体12旋转。
设有一个可控机械密封件18，防止过多流体从高压环境20向低压环境22泄漏。机械器密封件18中有一个第一面元件24，适当安装在轴16上随轴16旋转。面元件24沿轴线A相对于轴的轴向滑动。有适当的偏压装置26，例如一个弹簧，偏压面元件24向右移动，如图1所示。
机械密封件18还有一个在壳体12上固定的支持器28，支持器28把第二面元件30和一个促动器32支承在壳体12中。第二面元件30的外径固定，使它不能作相对于轴16的轴向移动。促动器32最好是电磁型的，可用压电材料制成，压电材料如锆钛酸铅之类，在上面加外部电压时伸长。这伸长使第二面元件30变形。
图示面元件24可随轴16旋转，而面元件30不能旋转。但是应该明确了解的是，一个元件可以旋转，另一个不能旋转。与此相似，虽然图示元件24浮动(沿轴16轴向活动)，元件30固定(不能作相对于轴16的轴向移动)，但是也可以使其中任一为浮动元件，而另一固定。并且应该理解促动器32可以和二者之任一相关，或者可以是元件的一个整体部分而非分立元件。这里为了方便，设想元件24既可旋转又可浮动，而元件30则不能旋转并固定。促动器32设想为与元件30关连的一个分立组件。
元件24有一个径向表面34。与此相似元件30有一个径向表面36，与表面34相对。二者共同形成密封面的表面34，36。
浮动面元件和固定面元件24及30可以用相同或不同材料制造。其一英武用石质材料，如烧结石质合金(sintered carbide)，金钢砂，钨铬钴合金等等。另一则用软质材料，如碳，碳一石墨，青铜等。
如在上文中已提到，成功的机械密封件，在元件24及30之间的间隙38中，要求有薄润滑液膜。这液膜厚度要求适当大，以减少元件磨损和/或咬死，但又需适当小，以防泄漏过多。因此在间隙中应保持一个最佳的液膜厚度，把表面34及36分隔，以实现机械密封件的正常运转。
间隙的宽度，和相应液膜厚度，由从外部向压电促动器32供给电压控制。这促动器可以是一个单一的圈环，但最好由一叠圈环40组成，如图1及2所示。这些圈环用压电材料制造，其定向使当从外部供给电压时，各圈环在轴向上膨胀。促动器32施加的轴向力加在元件30的背面，把元件30压紧。其应变使元件30的表面36变形，产生相对密封表面34及36之间的收敛间隙。电压升高(降低)时，这个力增高(下降)，于是取得较大(较小)的会聚度。由于较大(较小)的会聚度产生较厚(较薄)的液膜，所以可增高(降低)供给的电压控制液膜的精确厚度。
圈环40的叠垛相对于轴16的轴向放置。虽然环可以是整个的，如图2所示，但也可以分成扇面形。同样，也可以改用圆盘43的叠垛，在轴16的圆周上间隔放置，如图3所示。假如使用扇面或圆盘叠垛，一般向各叠垛供给相同的电压，将产生相同的间隙。但是，也可以在叠垛上加不等的电压，补偿密封表面的任何失调，产生一致的间隙。
本发明可控机械密封件的第二实施方案如图4所示。为使元件30的表面36变形，有若干间隙放置的与图3所示的相同的压电促动器32a，其中之一如图4所示，促动器随外部供给的电压反应，在元件30的侧面44上加径向力，使它变曲成砂漏时计的结构形状。结果在表面34及36之间，产生会聚间隙。并且，也可以向各促动器供给相同或不同的外部电压，补偿表面的失调而产生一致的间隙。
图5是控制系统46的简图，适宜配合图1及4中的可控机械密封件使用，自动产生并调节供给压电促动器32或32a的外部电压，维持最佳的液膜厚度。可以看到传感器48可以适当地埋在一个元件之中，例如在元件30中，提供表示表面34及36的间隙的信号。传感器48最好是一个热电偶，感测与间隙厚度相关的温度。具体地讲，感测元件面即将接触时的计温。有一个信号校正器50随热电偶输出反应，产生表示输出的电信号。把信号向控制器52输入，通过增高电源56的电压54作调节。把这电压54供给压电促动器32或32a，使表面36变形，以增大间隙38的宽度。测各温度下降，表明间隙过宽，供给的电压相应下降，以减间隙宽度。
控制器52还可以按照预定程序降低电压54，测试隙宽，控制系统46的细节，包括控制器52，在美国的第789，890号申请案中有揭示，该案与本申请案同时提交在案，有相同的受授人。
关于可控机械密封件18运转的讨论，下文中将参照图6叙述。据信这是对理解本发明的原理所必须，也是从本发明取得利益所必须。
在一个方向上作用于元件24上的流体力和弹簧力中，有一个净关闭力，倾向于把元件24向元件30轴向推动。间隙38中在相反方向上作用于元件24上的流体力中，有一个净开启力，倾向于把元件24轴向推离元件30。在机械的稳定状态运转中，为使系统平衡，净开启力必须和净关闭力平衡。这合成力的平衡，决定表面34及36的隙宽38，从而决定游泳人膜的厚度。
前文已经讨论，成功的密封件表面34及36，必须扫箭头58所指，从密封件18高压侧20到低压22的方向上，有径向的会聚。假设高压侧在密封件的外径上，低压侧在内径上，则表面34及36必然从外径向着内径会聚。本文中会聚度C的定义，是外径(箭头60)处隙宽(即膜厚)To和内径(箭头62)处隙宽(即膜厚)Ti之间的差量。在本文中，会聚率D的定义，是会聚度C和某一隙宽(即膜厚)的T的比率。为方便起见，采用平均隙宽(即膜厚)(To+Ti)/2＝T。也就是D＝C/T。间隙中的压力形式和净开启和决定于会聚率D。会聚率越高，开启力越大。
假设机械10在稳定状态下运转，密封件会聚率D的设计，与某一平均膜厚相符，该平均膜厚在这特定运转条件下有最佳值。当净开启力和净关闭力平衡时，会聚率D基本恒定，假如在某些运转条件下有变化，诸如开机，关机，运转中变速，温度变化，压力变化，机械中所用特定流体的特点变化等时，便会破坏这个平衡。浮动面元件24便向固定元件30靠近或与之离开。结果平均膜厚T变化。
假如运转条件变化，产生很小的膜厚，热偶48测出有即将来到的表面接触，控制系统46便将供给增高的电压54，增加表面36的变形，以增大会聚度C。在另一方面，运转条件变化后产生的膜厚很大，发生了过多的泄漏。在按上述美国申请案第789，890号中提到的预定程序作定期测试时，控制系统46将供给增高的电压54，减少表面36的变形而减小会聚度C。
这样间隙中的压力状态变化，产生一个新的开启力。但由于关闭力基本保持恒定，元件24作反应，向元件30靠近或与之离开，直到力的平衡恢复，会聚率D恢复其原始数值。平衡的恢复，是当新运转条件下的新平均膜厚有最佳化数值的时候。
为了调节表面36的变形，调节会聚度C，以控制T，可以将上段中的过程连续反复或定期反复。
虽然上文的解说涉及的是元件30表面36的变形，但是凡擅长本技艺者可能理解，可以使表面中之任一或全部变形，以取得相同的效果。
因此可从上文看到，本发明提出了一种可控制的机械密封件。在一种开回路的形式中，分隔两个面元件的润滑液薄膜的厚度，由外部供给的电压控制，使两个面元件表面的至少一个变形。
在闭回路的形式中，设置一个传感器指示两表面间隙的宽度。有一个随传感器反应的控制系统产生外部电压，供给压电促动器，控制两表面的会聚度，从而保持宽广的运转条件范围中的润滑液膜的最佳厚度。
虽然上面所示和所述，都被认为是本发明的最好实施方案，但凡擅长本领域技艺者都可理解，还可作出各种变化和修改，并且元件可用相似条件取代而不脱离本发明的真实范围。此外，还可作许多修改，将本发明的思想适应一个特定状况，而不脱离本发明的范围。因此，发明人的目的并非使本发明受限于上文揭示的特定实施方案，该实施方案等被认为是实施本发明的最佳形式，而发明应包括文后权利要书范围内的一切实施方案。
权利要求
1.密封相对于流体机械(10)旋转的轴(16)的可控机械密封件(18)，该密封件有带有第一径向表面(34)的第一面元件(24)，该第一元件用于随轴(16)旋转，有一个带一个第二径向面表面(36)的第二面元件(30)，该第二元件支承在壳体内，该两元件中的一个可沿轴作轴向移动，其特征在于该第一及第二表面形成一个间隙，间隙从该密封件的高压侧(20)向低压侧(22)收敛，在间隙中有润滑液薄膜，有促动装置(32，32a)至少把该元件中之一个变形，从而调节该表面(34，36)的会聚，有感测装置(48)产生指示间隙(38)状况的信号，有控制装置(46)随该信号反应，产生输出，供给该促动装置，控制该变形，从而在一个宽广的运转条件范围中，保持润滑液膜的最佳厚度。
2.如权利要求
第1项中之可控机械密封件，其特征为该促动装置有一个电磁促动器(32)。
3.如权利要求
第1项中之可控机械密封件，其特征为该促动装置中有一个压电促动器(32)。
4.如权利要求
第3项中之可控机械密封件，其特征为该压电促动器向该第二元件(30)加一个力使之变形。
5.如权利要求
第3项中之可控机械密封件，其特征为该压电促动器中，至少有一个与轴同心的圈环(40)。
6.如权利要求
第3项中之可控机械密封件，其特征为该压电促动器中有若干圈环扇形面的叠垛，围绕轴周间隔放置。
7.如权利要求
第3项之中可控机械密封件，其特征为该压电促动器中有若干圆盘的叠垛(43)，围绕轴周间隔放置。
8.如权利要求
第1项中之可控机械密封件，其特征为该间隙的形态是该两表面接触的初始。
9.如权利要求
第8项中之可控机械密封件，其该促动装置中有一个压电促动器，该输出为一电压。
10.如权利要求
第9项中之可控机械密封件，其特征为该控制装置(46)增高其输出电压以增大该两表面的会聚度，从而获得较厚的液膜，或降低其输出电压以减少该两表面(34，36)之会聚度，从而取得较薄之液膜。
11.如权利要求
第8项中之可控机械密封件，其特征为该传感装置中有一个热电偶(48)，由该元件中之一个支承。
12.如权利要求
第8项中之可控机械密封件，其特征为该传感装置中有一个热电偶(48)，由该第二元件(30)支承。
13.如权利要求
第4项中之可控机械密封件，其特征为该轿轴的径向上施加。
14.如权利要求
第4项中之可控机械密封件，其特征为该力在轴的径向上施加。
15.密封相对于流体机械(10)旋转的轴(16)的可控机械密封件(18)，该密封件有带第一径向表面(34)的第一面元件(24)，该第一元件用于随轴(16)旋转，有一个带一个第二径向面表面(36)的第二面元件(30)，该第二元件支承在壳体内，该元件中的一个可沿轴作轴向移动，其特征在于该第一及第二表面适于形成一个间隙，其中有一个润滑液薄膜，有一个和该元件中之一个连接的压电促动器(32，32a)，使该元件的表面变形，而使间隙在从该密封件高压侧(20)向低压侧(22)的方向上收敛，有一个热电偶(48)埋在该元件的一个中，表示该表面(34，36)初始接触的温度，有一个控制系统(46)随温度测量反应，产生一个电压供给该压电促动器(32，32a)控制元件表面的会聚度，从而在宽广的运转条件范围中，保持润滑液膜的最佳厚度。
16.如权利要求
第15项中之可控机械密封件，其特征为该压电促动器中，至少有一个与轴同心的圈环(40)。
17.如权利要求
第15项中之可控机械密封件，其特征为该压电促动器中，有若干圈环扇形面的叠垛，间隔围绕该轴。
18.如权利要求
第15项中之可控机械密封件，其特征为该压电促动器中有一个圈环的叠垛。
19.如权利要求
第15项中之可控机械密封件，其特征为该压电促动器中有若干圆盘(43)的叠垛，在轴周周间隔放置。
20.流体机械(10)的可控机械密封件(18)，机械有一个壳体(12)和相对于壳体旋转的轴(16)，该密封件有一个第一面元件(24)可随轴旋转，一个第二面元件(30)由壳体支承，该第一及第二元件分别形成第一(34)及第二(36)面表面，该元件的一个(24)沿轴滑动，向该元件的另一个(30)靠近或与之离开形成该两表面的间隙，有装置(26)把该一个元件向该另一元件偏压，其特征为该元件(24，30)在机械的给定运转状态下，会聚率基本等于该表面(34，36)的会聚度，被除于该间隙的平均宽度，从而调节该表面会聚度的装置(32，32a)，改变该间隙(38)的宽度。
21.如权利要求
第20项中之可控机械密封件，其特征为该调节装置有对一个元件压紧的装置(32，32a)，使造成的应变对该表面(34，36)的会聚度作调节。
22.如权利要求
第20项中之可控机械密封件，其特征为该调节装置有促动装置(32，32a)在一个元件上加力，使元件表面变形，对该两表面会聚度进行调节。
23.如权利要求
第22项中之可控机械密封件，该促动装置随供给的电压反应而发力。
24.如权利要求
第23项中之可控机械密封件，该促动装置中至少有一个压电促动器。
25.如权利要求
第24项中之可控机械密封件，该压电促动器在该另一元件(30)上施力。
26.如权利要求
第25项中之可控机械密封件，该压电促动器(40，43)在基本与该轴平行的方向上，向该另一元件(30)施力。
27.如权利要求
第25项中之可控机械密封件，该压电促动器(32a)在基本与该轴垂直的向上，向该另一元件(30)施力。
28.如权利要求
第20项中之可控机械密封件，其特征为有装置感测该间隙宽度变化，以说明机械运转状态有变化，并有装置随感测到的变化反应，调节该两表面的会聚度，使间隙的宽度变化，从而该密封件补偿机械运转状况的变化。
29.如权利要求
第28项中之可控机械密封件，该测得的变化是该两表面(34，36)的初始接触。
30.如权利要求
第29项中之可控机械密封件，该传感装置中有一个热电偶(48)，感测该表面(34，36)初始接触时的升温。
专利摘要
一种可控机械密封件，有带第一及第二径向表面的第一及第二面元件。第一元件随轴旋转。第二元件固定在壳内。一个元件相对于轴轴向活动。该两表面形成有液膜的间隙。设置一个促动器，使至少一个表面变形使间隙从密封件的高压侧向低压侧收敛。设置一个传感器，感测两表面的初始接触温度。一个控制系统随传感器反应，产生外部电压，供给促动器，控制表面的会聚，从而在宽阔的运转状态范围中，保持润滑液膜的最佳厚度。
文档编号F16J15/34GK86106923SQ86106923
公开日1987年6月3日 申请日期1986年10月20日
发明者理查德·F·萨伦特, 威廉·爱德华基, 彼得·劳伦斯·凯 申请人:博格-华纳工业产品公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan