CN103620278A - 锁定轴封支承件和方法 - Google Patents

Abstract

一种轴封组件具有支承件本体（222）和密封件（200）。所述支承件本体从第一端（210）延伸至第二端（212）且具有用于容纳所述轴的中心通路（214）。所述支承件本体具有柔性轴向中间部分（230）、位于所述柔性中间部分外侧的轴向外侧部分（228）和位于所述柔性中间部分内侧的轴向内侧部分（226）。所述内侧部分具有带外螺纹的部分（270）和穿过所述带外螺纹的部分的多条沟槽（290）。所述密封件由所述外侧部分承载。

Description

锁定轴封支承件和方法

对相关申请的交叉参考

本发明要求于2011年6月30日提交的序号为61/503,186的美国专利申请的权益，该美国专利申请的题目为“锁定轴封支承件和方法”，其整体披露内容以充分阐述的方式在此作为参考被引用。

技术领域

本发明涉及轴封。更特别地，本发明涉及压缩机轴封。

背景技术

将旋转轴密封到固定壳体上是很常见的情况。在一种典型的密封***基准组中，初级密封件（密封件转子）被轴承载以便随其一起旋转。该初级密封件与壳体的配合面（密封件定子）接合。该初级密封件可由支承件/承载件承载，所述支承件/承载件使初级密封件弹性地偏置而与该配合面形成接合，从而使得即使在振动、偏移移动等情况下也能保持接合状态。在典型的这种***中，密封件承载件本身包括附加的静态密封件以便将该密封件承载件密封到轴上。

在一些实施方式中，密封件承载件可沿轴向被保持以便压缩靠在轴的肩部或其他结构上。这种***的一个实例可见于Wright等申请的美国专利申请2004/0113369A1的公开说明书中。然而，在其他情况下，所希望的是将承载件夹持到轴上。一些生产商生产出了这样的密封件支承件/承载件，所述密封件支承件/承载件带有位于该承载件的固定部分中的径向固定螺钉以便与轴接合并将承载件紧固到轴上。安装这种密封件承载件需要沿径向接近该固定螺钉。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种轴封组件，所述轴封组件具有支承件本体和密封件。所述支承件本体从第一端延伸至第二端且具有用于容纳所述轴的中心通路。所述支承件本体具有柔性（compliant）轴向中间部分、位于所述柔性中间部分外侧的轴向外侧部分、和位于所述中间部分内侧的轴向内侧部分。所述内侧部分具有带外螺纹的部分和穿过所述带外螺纹的部分的多条沟槽（slots）。所述密封件由所述轴向外侧部分承载。

通过下面的说明书并结合附图对一个或多个实施例的细节进行阐述。所属领域技术人员通过具体实施方式、附图和权利要求书将易于理解其他特征、目标和优点。

附图说明

图1是压缩机的轴向剖面/剖切视图；

图2是图1所示压缩机的填料箱（stuffing box）区域的放大视图；

图3是密封件支承件的视图；

图4是密封件支承件的第二视图；

图5是图3所示密封件支承件的中心纵向剖面视图；

图6是图3所示密封件支承件的近端构件的外螺纹的视图；

图7是密封件支承件的锁定环的螺纹的轴向剖面视图；

图8是密封件安装/移除过程的第一视图；和

图9是密封件安装/移除过程的第二视图。

这些图中相似的附图标记和标示用于表示相似的元件。

具体实施方式

图1和图2示出了典型的压缩机20。压缩机20具有壳体（套壳）组件22。该典型的压缩机由发动机24（图中示意性地示出）驱动。典型套壳22具有吸入端口（入口）26和排出端口（出口）28。壳体限定出多个汽缸30和32。每个汽缸容纳相关的活塞34，所述活塞被安装以便至少部分地在汽缸内进行往复移动。典型的多汽缸构型包括：直列式；V（V字）型；和水平相对型。典型的压缩机基于众所周知的Model 05G型压缩机，该压缩机由纽约锡拉丘兹的开利（Carrier）公司制造。

所述汽缸中的每个汽缸都包括吸入位置和排出位置。例如，所述汽缸可被并联联接以使得该吸入位置是由吸入端口26供给的共享/共用吸入增压室，且排出位置是对排出端口28进行供给的共享/共用排出增压室。在其他构型中，汽缸可共享吸入位置/条件，但具有不同的排出位置/条件。在其他构型中，汽缸可以是串联的。典型的制冷剂是R-404A。

活塞34中的每个活塞经由相关联的连接杆36被联接至曲柄轴38。典型的曲柄轴通过轴承被保持在套壳内以便围绕轴线500旋转。每个活塞30、32经由相关联的肘销44被联接至其相关联的连接杆36。典型的套壳包括主构件50（例如壳体的铸件），所述主构件形成了汽缸体。该主构件的下端被底壳（sump）板/盖52封闭。一个或多个汽缸盖54可覆盖该汽缸。在前端（例如意味着远离发动机的“远”端）处，轴承本体56（以优化方式与油泵或其他***整合在一起）封闭该套壳并载持着轴承58，所述轴承与位于邻近曲柄轴的前端61的位置处的曲柄轴的前端部分60（图中示意性地示出）接合。套壳的后端由被安装到主构件50上的凸缘62和压盖板64封闭。凸缘62和压盖板64沿主构件的后壁66被安装，所述后壁载持/承载着位于孔隙/隔室70中的轴承68。轴承68与曲柄轴的第一中间部分72接合。曲柄轴的后端/第二端部分80（位于邻近曲柄轴的第二端81的位置处）处于套壳外部。第二端部分80可载持用于联接至发动机（包括任何居间结构）的特征（例如花键或键槽82）。图2示出了介于端部部分80与第一中间部分72之间的曲柄轴的第二中间部分86。

在曲柄轴刺穿套壳的情况下，曲柄轴必须相对于套壳进行密封。本发明提供了一种典型的密封***，所述密封***是Wright等的美国专利申请US2004/0113369中所述压缩机的变型。Wright等的初级密封件（初级密封件***）包括与轴一起旋转的第一环（密封件转子）和被固定到壳体上（即被安装在压盖板64中）的配合环（密封件定子）。在Wright等的专利申请中，套壳的后/近端壁是由主构件的后壁66与凸缘/压盖板组合件形成的。后壁66的内侧部分88限定出轴承隔室70。在轴承隔室70外侧（沿轴向）延伸地，后壁66围绕着密封件隔室或“填料箱”90的大部分，初级密封件转子200（图2）和支承件202被安装在所述密封件隔室或“填料箱”中。压盖板64（或填料箱盖）覆盖密封件隔室90的端部且具有孔口92，曲柄轴延伸穿过所述孔口。在孔口92的内侧（沿轴向），压盖板具有环形隔室94，次级密封件95被安装在所述环形隔室中。典型的次级密封件95可以是唇形密封件，正如Wright等所描述地那样。典型压盖板具有配合环（密封件定子）隔室96，所述隔室位于次级密封件隔室94内侧且包含与密封件转子200接合的配合环（密封件定子）97。初级密封件的“初级”之处在于其暴露于位于轴承外侧端的内部压缩机压力下。初级密封件上的压力差（△P）将占底壳与大气之间的压力差中的大多数百分比（例如是该压力差的50-100%，或者更狭窄地为90-100%）。如果次级密封件隔室被暴露于周围环境，例如如果允许泄漏的油被收集在保油容器内，则次级密封件隔室中的压力将大体上等于大气压力且初级密封件将基本上是上述压力差的100%。次级密封件的“次级”之处在于其介于初级密封件与外部环境之间。密封件被标示为“初级”并不要求存在次级密封件。典型的配合环（密封件定子）隔室96和次级密封件隔室94与将二者分开的梯级或肩部98一起形成了更大的阶梯状隔室。配合环（密封件定子）97可与其隔室96形成压力配合。

典型的配合环97包括大体上呈环形的具有矩形剖面的构件100，所述构件具有内径（ID）表面101、外径（OD）表面102、（轴向）内侧面103、和（轴向）外侧面104。位于外径表面中的通道105承载着弹性密封件106（例如O形环）以便将配合环97密封到压盖板上。

典型的次级密封件可具有弹性（例如弹性体或PTFE）构件110（例如具有一对唇缘111、112）和径向弹簧114。典型的次级密封件将不被预期存在初级密封件那样的压力差。次级密封件的主要目的是防止初级密封件被来自外部环境的异物（例如灰尘颗粒）污染。初级密封件与次级密封件之间的空间120可捕获通过初级密封件泄漏出来的少量的油。可选的收集通路122（如图1示意性地示出）可与空间120连通以使这种油到达可选的集油瓶124。通路122和集油瓶124防止了油在次级唇形密封件上迁移至外部环境。

典型的密封件支承件202（图3）包括本体222和带内螺纹的锁定环224。典型的支承件本体222从近端210（例如位于缘边处（图5））延伸至远端212且限定出用于容纳该轴的中心通路214。典型的支承件本体222包括三个主要零件或构件的组件：近端构件226，所述近端构件用于安装到轴上且其近端形成了近端210；远端构件228，所述远端构件用于承载密封件转子200且其远端形成了远端212；和柔性轴向中间构件230，所述构件位于构件226的远端232与构件228的近端234之间。典型构件226和228是金属质机加工件（例如不锈钢）。典型的中间构件230包括焊接的金属质波纹管（例如同样为不锈钢）组件。典型的波纹管通过焊接被紧固到构件226和228上。

典型的密封件转子200具有内侧（内径或ID）表面240、外侧（外径或OD）表面242。其具有近端面244和远端面246。正如典型实施方式中所述，在表面240与246之间的结合处形成了略呈环形的内部回缩部（rebate）/肩部247。在操作过程中，表面246与密封件定子的相邻表面103（图2）密封地、旋转地且滑动地接合。

典型构件226具有内侧（内径或ID）表面250和外侧（外径或OD）表面252。相似地，构件228具有内径表面256和外径表面258。构件226的典型内径表面具有环形通道260，所述环形通道承载着用于将支承件密封到轴上的密封件262（例如弹性体O形环）。典型构件228包括被安装到中间构件230上的近端环形凸缘264和从凸缘周部向远端延伸的套筒265。典型构件228被冲压或机加工成为单个金属件（例如不锈钢）。

沿构件226和228的大部分长度，相应的外径表面252和258具有相应的外径，如图中?_O1和?_O2所示。相似地，沿构件226和228的相应长度中的大部分长度，内径面250和256具有相应的内径，如图中?_I1和?_I2所示。密封件转子沿其大多数长度具有相应的外径和内径，如图中?_OR和?_IR所示。凸缘和套筒相应地限定出隔室的内侧轴向端部和外径周部，所述隔室接收密封件转子（例如以压力配合的方式）。套筒具有向外张开的远端部分以便对密封件转子***件进行导引，所述***件在沿轴向略微伸出超过密封件转子的远端面246的情况下离开所述远端面，且近端表面/面244的底部靠在凸缘264的远端面上。所属领域技术人员可选择典型的?_IR，以使其等于或略大于局部轴直径。通过使?_IR足够大于轴直径，密封件转子可相对于轴略成一定角度地进行偏移移动以便与密封件定子保持密封接合。这种间隙可处于密封件转子的标准工程容限内。

近端构件226的近端部分270具有离开带外螺纹的部分272的外径（外径径向回缩部），所述带外螺纹的部分通过肩部274与主要部分分离。带外螺纹的部分272可接收环224的内螺纹276。环224包括近端面280和远端面282。在安装状态下，远端面282与肩部表面274是邻接的。环224包括外径（OD）表面284，所述外径表面承载着呈周向阵列的通道286，所述通道可接收相对应花键工具的花键（下文将进一步描述）。近端部分270具有呈周向阵列的凹部或沟槽（从内径贯通至外径的贯穿沟槽）290，所述凹部或沟槽从缘边210向内延伸。每个凹部290具有第一面292、第二面294和底部296。部分270具有弯曲的内径倒角298。

正如下文进一步讨论地那样，凹部290将附加的径向柔性传递到部分270上，从而使得其可被压缩而与轴形成夹持接合。倒角298在安装过程中将轴导引进入通路214内。正如下文进一步讨论地那样，当环224被上紧到构件226上且表面282的底部靠在肩部表面274上时，进一步上紧会在环的螺纹与部分270的螺纹之间产生楔入/凸轮作用。这驱动部分270的完整部段（瓣膜）沿径向向内与轴形成压缩摩擦接合，从而将构件226夹持到轴上。该夹持接合既沿轴向又旋转地紧固构件226，且使得中间构件230可产生压缩从而使构件228朝向密封件定子产生偏置，从而在密封件转子与密封件定子之间保持旋转的密封接合。

典型的外螺纹300（图6）具有相对于中心线位于直径?R处的牙根或底部302和位于直径?A处的牙顶304。该螺纹具有前导面306（图中位于轴向外侧）和后导面308（位于轴向内侧）。前导面306是相对陡峭/径向的（例如处于径向10°范围内，更狭窄地处于5°范围内，且最特别地处于1-5°或名义3°的负角度下）。相比之下，后导面308相对较浅（例如与径向相比相对接近轴向，例如偏离径向处于60-80°的角度θ₁下，更狭窄的范围是70-80°或约75°）。内螺纹320相似地具有牙根322、牙顶324、前导面326和后导面328。对于1.5英寸（3.81cm）的名义轴直径而言，典型的螺纹300和320具有的典型螺距为每英寸11扣（11tpi），更广泛的范围为10-12tpi或8-16tpi（每厘米4.3扣，更广泛的范围为4-5扣或3-6扣）。

典型的内螺纹的几何形状与螺纹300足够相似以便与其配合。在如图所示的实例中（图7），内螺纹牙顶直径被示作?_A'，牙根直径被示作?_R'，前导边缘负角度被示作θ₄，后导边缘负角度被示作θ₃。这些尺寸和角度可被选择以使得两种螺纹能适当地配合。典型的θ₃可与θ₁相同且典型的θ₄可与θ₂相同。

在服役状态下（图8和图9），压盖板64可被移除且唇形密封件95和配合环97/O形环106中的一个或两个被取出并被新的部件更换。为了松弛锁定环224（且随后重新上紧该锁定环），可使用工具如花键套管（扳手）400。花键套管具有环形侧壁402，所述环形侧壁从第一端404延伸至第二端406且具有内表面410和外表面412。第一端载持着凸部420，所述凸部与凹部286是互补的。花键套管具有底部/腹板430以及用于接收具有适当尺寸的套管驱动件/柄部450的套管440。花键套管可被安装在支承件/承载件上且其凸部与环的凹部286接合。因此，可有效地使径向间隙与花键套管的侧壁厚度一样小。扳手可随后被旋转以便松开该环并释放部分270对轴的夹持。扳手可被移除且支承件202可被手动取出并被新的支承件202更换（或者支承件202上的密封件转子200可被更换并重新安装支承件）。这种更换可涉及利用花键工具/扳手上紧锁定环。压盖板可被重新安装。

O形环密封件262的另一种可选实施方式涉及用弹性非金属材料（例如弹性体）（例如用盘簧或其他支承件）替换波纹管230，从而使得波纹管的线性压缩会导致非金属材料与轴之间产生径向密封偏置。沟槽286的另一种可选方式是在面182中设置例如通孔孔眼或盲孔孔隙/孔眼的特征，以便接收工具的与之互补的特征如凸部（例如销）。

尽管上文详细地描述了本发明的实施例，但该描述并不旨在限制本发明披露内容的范围。应该理解：可在不偏离本发明披露内容的精神和范围的情况下做出多种变型。例如，当在现有压缩机构型的重组过程中实施本发明时，现有构型的细节会影响或决定任何特定实施方式的细节。因此，其它实施例也处于以下权利要求书的范围内。

Claims (15)

1. 一种轴封组件，所述轴封组件包括：

支承件本体（222），所述支承件本体从第一端（210）延伸至第二端（212）且具有用于容纳所述轴的中心通路（214），且所述支承件本体包括：

     柔性轴向中间部分（230）；

     位于所述柔性中间部分外侧的轴向外侧部分（228）；和

     位于所述中间部分内侧的轴向内侧部分（226），且所述轴向内侧部分具有：

          带外螺纹的部分（270）；和

          穿过所述带外螺纹的部分的多条沟槽（290）；和

密封件（200），所述密封件由所述轴向外侧部分承载。

2. 根据权利要求1所述的密封件组件，进一步包括：

内部通道（260）和被捕获在所述通道（260）内的O形环密封件（262）。

3. 根据权利要求1所述的密封件组件，进一步包括：

被接合至所述带外螺纹的部分（270）的带内螺纹的锁定环（224）。

4. 根据权利要求3所述的密封件，其中：

所述锁定环具有用于与花键扳手接合的外部沟槽（286）。

5. 根据权利要求1所述的密封件组件，其中：

所述柔性轴向中间部分包括金属质波纹管。

6. 根据权利要求5所述的密封件组件，其中：

所述内侧部分和所述外侧部分是被焊接到所述波纹管上的机加工不锈钢元件。

7. 根据权利要求1所述的密封件组件，其中所述密封件（200）包括石墨。

8. 根据权利要求1所述的密封件组件，其中所述带外螺纹的部分的螺纹具有：

轴向/径向剖面，其特征在于其具有：

     牙顶（304）；

     处于-5-5°的角度下的外侧面（306）；和

     处于60-80°的角度下的内侧面（308）。

9. 根据权利要求1所述的密封件组件，其中所述带外螺纹的部分的螺纹具有：

轴向/径向剖面，其特征在于其具有：

     牙顶（304）；

     处于-（1-5）°的角度下的外侧面（306）；和

     处于70-80°的角度下的内侧面（308）。

10. 根据权利要求1所述的密封件组件，其中所述带外螺纹的部分的螺纹具有：

轴向/径向剖面，其特征在于其具有：

     牙顶（304）；

     处于-3°的角度下的外侧面（306）；和

     处于75°的角度下的内侧面（308）。

11. 根据权利要求1所述的密封件组件，其中所述带外螺纹的部分的螺纹具有：10-12tpi的螺距。

12. 一种机器（20），所述机器包括：

具有孔口（92）的壳体（22）；

穿过所述孔口的轴（38）；

根据权利要求1所述的密封件组件，所述密封件组件被安装到位于所述孔口内的所述轴上且进一步包括带内螺纹的锁定环（224），所述带内螺纹的锁定环被接合至所述带外螺纹的部分。

13. 根据权利要求12所述的机器，所述机器是压缩机，其中：

所述密封件（200）位于第一壳体构件的填料箱（90）内；

所述孔口（92）位于填料箱盖（64）中；且

所述填料箱盖承载着被接合至所述密封件的配合环（97）。

14. 一种用于使根据权利要求12所述的机器运行的方法，所述方法包括：

将所述密封件组件插置在所述轴上且***所述壳体内；

使用扳手（400）将所述锁定环上紧到所述密封件本体上，所述扳手在以下部件之间沿径向从轴向外侧向内侧延伸：所述壳体；和所述轴向外侧部分、中间部分和内侧部分；并且

安装盖，所述盖承载配合环以便与所述密封件接合。

15. 一种压缩机（20），所述压缩机包括：

曲柄轴（38）；

套壳（22），所述套壳具有：

     入口；

     至少一个汽缸（30-32）；

     曲柄套壳隔室（48）；

     出口；

     壁部，所述曲柄轴延伸穿过所述壁部；和

用于所述汽缸中的每个汽缸的：

     活塞（34），所述活塞被安装以便至少部分地在所述汽缸内进行往复移动；

     连接杆（36），所述连接杆将所述活塞联接至所述曲柄轴；和

     肘销（44），所述肘销将所述连接杆联接至所述活塞；

其中：

根据权利要求1所述的密封件组件被安装到所述曲柄轴上。

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