[发明专利]拱形结合环形密封件及具有该环形密封件的环密封系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种拱形结合环形密封件，以及一种包括拱形结合环形密封件和轴的系统，并且，更具体地，涉及一种包括用于产生升力的结构的拱形结合环形密封件，以及一种包括用于产生升力的结构的拱形结合环形密封件和轴的系统。

背景技术

各种装置已知用于形成可旋转的轴(或安装在可旋转的轴上的套筒或转轮)和静止的壳体或围绕轴的其它结构之间的密封。一些密封件与轴接触，以最小化泄漏，并且可以称之为“接触周向轴密封件”。这些密封件包括一个或多个密封环，具有接触旋转套筒的内表面，并在旋转时靠着套筒滑动。这种密封件可以由压制和烧结碳石墨形成，以提供耐热性和耐磨耗性，它们通常形成为多个可互连环段，从而便于在套筒周围安装。密封环通过合适的固定装置保持在适当位置，并且包括这样的环的密封件可以包括偏压装置，如周向或卡紧弹簧，用于将密封段保持在一起，以及多个轴向压缩弹簧，以使密封段靠着静止的壳体侧向就位。

虽然接触密封是持久的，并能够承受高水平的热和摩擦，与旋转套筒的滑动接触最终导致密封环磨损。碳环磨损的速率部分基于套筒和轴的相对速度，并且在一些高效率的喷气发动机中，这样的速度，表示为线速度，可超过600英尺/秒或约400公里/小时，对于延长的时间段。在这样的速度下接触产生的热使密封环磨损，并且因此，环需要频繁的维护和/或更换。更长的使用寿命和更高的热效率的愿望，推动密封行业寻找周向接触密封件的替代品。

固体衬套密封件是周向接触密封件的一种替代。顾名思义，这些密封件是固体或整体的，并且它们通过保持轴和密封件之间的小的间隔或间隙避免磨损问题。然而，由于在使用过程中的热膨胀和/或离心力，其上使用密封件的轴通常膨胀。为了避免损坏固体衬套密封件，密封件的内直径必须足够大，以保持从膨胀轴间隔开。这需要提供间隙，导致在启动时相对大泄漏率，当轴较凉时。此外，如果间隙不够大，当轴升温并膨胀时，轴可能破裂或以其它方式损坏密封件。

接触密封件的另一种替代是周向气膜密封件。很像周向接触密封件，该密封件包括一个或多个碳密封环，其在旋转时并且在不旋转时，向轴和套筒施加很轻的接触力。轻接触力由将高压气体通过间隙空间和铣削切口引导到相对面来实现。在接触周向密封的情况下，环的外直径在其整个宽度上暴露，而内直径除了露出小的密封坝的宽度，在其整个宽度上暴露。这产生靠着旋转套筒容纳轻微的容纳密封件的力的不平衡。以这种方式产生力平衡接触被称为静压密封，而静压密封可以在轴旋转时和在轴静止时都保持。

可替换地或另外地，动压密封可以通过在密封环面向套筒的一侧上形成凹部或切口来制造。当套筒旋转时，通过旋转套筒夹带的空气在这些切口中被压缩，而随着它在凹部之间的非凹陷“衬垫”上露出，其产生用于保持密封环和套筒分离的额外的压力和气流。周向气膜密封件在共同未决的美国专利申请No.14/132,571，“双向玻璃周向轴密封段即包括多个段的轴密封件”中公开，该申请的内容通过参考结合于此。周向气膜密封件比周向接触密封件产生更小的摩擦和更少的热量，因此通常比接触密封件持续时间更长，需要较少的维护并经历更少的油冷却效率损失。

密封件可以在更高的温度和压力下操作的需求日益增加。现代喷气发动机的设计需要更强大的密封件，能以比以往更高的速度，温度和压力操作，而许多常规密封件在这些条件下迅速劣化。气膜密封件在其与以设计范围的顶端工作的旋转轴一起使用时，特别容易受到损害。另外，不够强大的密封件使发动机无法工作在其整个工作范围，为了避免损坏轴密封件。

在高的速度和压力下，旋转轴趋向于摩擦和损坏密封件，尽管存在上面讨论的切口。也就是说，该密封件不再能够维持足够的空气膜，以支撑密封件，并且旋转轴接触到密封件。随着磨损，径向内密封面的几何形状变化，此后当轴停止旋转，其掉回轴表面时，形成与轴表面的更低效的密封。反复使该轴/密封件的交界面承受极端条件不断地破坏密封件的径向内表面，并且当密封件内径向表面的几何形状不再足以产生升力，并使密封件离开轴时，损坏的密封件可最终灾难性地失效。

发明内容

这些和其它问题通过本发明的实施例解决，其中第一方面包括用于轴的环形密封件，该环形密封件包括多个弧形的环段，该多个环段中的每一个具有径向外表面，径向内表面，第一轴向侧表面，第二轴向侧表面，第一端和第二端。该环形密封件还包括保持该多个弧形环段为拱形结合结构的弹簧，并且该多个环段中的每一个的径向内表面包括至少一个周向斜面，配置为轴在环形密封件内侧旋转时产生气垫。