CN112963530A

CN112963530A - 活塞密封件

Info

Publication number: CN112963530A
Application number: CN202110183068.8A
Authority: CN
Inventors: 蒂莫西·S·科尔曼
Original assignee: Westport Power Inc
Current assignee: Westport Power Inc
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2035-03-09
Also published as: CN112963530B; CN106133410A; EP3126718A1; WO2015139126A1; EP3126718A4; CA2847376C; CA2847376A1; EP3126718B1; US20170082196A1; US10473216B2

Abstract

公开了一种用于往复活塞的活塞密封件，该活塞密封件具有开口环形状，该开口环包括沿着开口表面重叠的第一端部段和第二端部段，该开口表面从密封件的内圆周表面延伸至外圆周表面，并且横向于活塞在缸膛中往复时移动的方向。开口表面离密封件前沿侧面的间隔比开口表面离密封件尾随侧面的间隔更远，该前沿侧面面向与活塞关联的压缩室，该尾随侧面与前沿侧面相反。

Description

活塞密封件

本申请是申请日为2015年03月09日、申请号为201580014496.0、名称为“活塞密封件”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开内容涉及用于包括往复活塞的液压设备的活塞密封件(密封圈)。

背景技术

采用在缸膛内具有往复运动的活塞的液压设备(例如往复泵、压缩机或液压驱动器)在本领域中是熟知的并且该液压设备长期地用于处理不同的流体(要么是液体要么是气体)。在进气冲程期间，当活塞向一个方向移动，这种往复泵通过泵入口吸引待泵送进入气缸的流体，并且当活塞向相反方向移动，这种往复泵压缩气缸内的流体。然后通过泵出口排出承压流体。

一些泵在高压下(例如超过4000磅/平方英寸)传送流体，而一些泵在低温下处理流体。为压缩气缸中流体的活塞提供有效的和可靠的密封件是一项困难的任务。活塞密封件防止任何流体在活塞的往复运动期间经过活塞从气缸的压缩室泄漏。由于活塞在缸膛内的运动，这种活塞密封件经受大量的磨损，并且有时由于过度磨损和/或由于由通过压缩流体施加于密封件的压力引起的应力，这种活塞会失效。这种运行条件对于高压往复泵和/或对于处理低温流体的泵来说甚至可能更有挑战性。

这种往复泵的一个示例是用于将液态形式的气态燃料从低温容器传送至气态燃料内燃机的泵。这种泵被设计成用来在相对高压(例如至少4600psi)和在低温(例如-130摄氏度或更低)下处理流体。已经发现为这种泵的活塞提供有效的密封件是一项困难的挑战。构成泵部件和密封件材料的热收缩***的差异可以导致在活塞密封件和气缸壁之间形成间隙，该间隙允许流体经过活塞密封件从压缩室泄漏至泵的低压侧。

因为通常液压设备应用往复活塞，由于活塞往复运动的密封件磨损是一个固有问题。在过去，分离密封件已经用于解决密封件磨损问题。这种分离密封件具有环的形状，该环具有允许其安装在活塞上的切口，并且更重要的是该切口允许密封件扩张以补偿密封件磨损。

在工业中所熟知的是具有S形状切口的分离密封件。美国专利号6305265描述了一种泵装置，该泵装置包括图5中示出的活塞密封件组件，每个密封件构件具有S形状切口，该S形状切口允许密封件构件在径向方向轻微地扩张而基本上不需要减少密封件的厚度。

具有S形状切口的密封件的劣势是，在由来自压缩室流体的压力施加作用于密封件上的应力下，密封件的重叠端部段可能更容易损坏。

因此，需要一种密封件设计，其允许密封件扩张以补偿密封件磨损，并且同时提供密封件的强健结构，该强健结构在由压缩室中流体压力施加的应力下减少了密封件损坏的风险。

发明内容

公布了一种用于往复活塞的环形密封件，该环形密封件包括具有外圆周表面和内圆周表面的开口环，当该环形密封件安装在与活塞关联的密封槽中时，该外圆周表面面向缸膛，该内圆周表面与所述外圆周表面相反并且面向活塞。开口环包括重叠的第一端部段和第二端部段，在其二者之间限定了开口表面，该开口表面横向于活塞在缸膛内往复时移动的方向，并且从内圆周表面延伸至环形密封件的外圆周表面。第一端部段与环形密封件的前沿侧面关联，该前沿侧面面向与活塞关联的压缩室，并且第二端部段与环形密封件的尾随侧面关联，该尾随侧面与前沿侧面相反。开口表面与前沿侧面之间的间隔不同于开口表面与尾随侧面之间的间隔，更具体地说，开口表面离前沿侧面的间隔比开口表面离尾随侧面的间隔更远。

开口表面和前沿侧面之间的间隔是基于运行期间施加于环形密封件的压应力计算出来的。密封件的第一端部段具有还基于运行期间施加于环形密封件的压应力计算出来的长度。在优选的实施例中，第二端部段的长度等于第一端部段的长度。

在一些实施例中，第一端部段和第二端部段的每个均具有两个部分，该两个部分每个均通过弯曲拐角连接至各自端部段的纵向部分。

在其他的实施例中，第一端部段和第二端部段的每个均具有两个部分，该两个部分每个均通过方形倒角连接至各自端部段的纵向部分。

在优选的实施例中，开口表面和前沿侧面之间的间隔，更具体地说，第一端部段的宽度是环宽度的2/3。

在一些实施例中，开口环可以由聚合物材料或聚合物复合材料制成。

在优选的实施例中，开口表面与前沿侧面之间的间隔和开口表面与尾随侧面之间的间隔沿着密封件的圆周方向基本上是恒定的，更具体地说，第一端部段和第二端部段具有恒定宽度。

在优选的实施例中，开口表面在垂直于环形密封件内圆周表面和外圆周表面的方向延伸。

还公开了一种往复泵，该往复泵包括具有缸膛的缸体和安装在缸膛中并且由所述缸体支撑的活塞，活塞能够运行以在缸膛内以往复运动移动，以使得活塞可以压缩在压缩室中的流体。活塞还包括环形密封件，该环形密封件设置在活塞槽中以使得环形密封件密封抵碰缸膛壁的活塞表面，环形密封件包括具有外圆周表面和内圆周表面的开口环，当环形密封件设置在活塞槽中时，外圆周表面面向缸膛，内圆周表面与外圆周表面相反并且面向活塞。开口环包括重叠的第一端部段和第二端部段，在其二者之间限定了开口表面，该开口表面横向于活塞在缸膛内往复时移动的方向。开口表面从内圆周表面延伸至外圆周表面。第一端部段与环形密封件的前沿侧面关联，前沿侧面面向压缩室，并且第二端部段与环形密封件的前沿侧面尾随侧面关联，尾随侧面与第一前沿侧面相反。开口表面与前沿侧面之间的间隔不同于开口表面与尾随侧面之间的间隔，更具体地说，开口表面离密封件前沿侧面的间隔比开口表面离密封件尾随侧面的间隔更远。

开口表面和环形密封件的前沿侧面之间的间隔是基于运行期间施加于环形密封件的压应力计算得来的。密封件的第一端部段具有长度，该长度也是基于运行期间施加于环形密封件的压应力计算得来的。在优选的实施例中，第二端部段的长度等于第一端部段的长度。

在其他实施例中，第一端部段和第二端部段的每个均具有两个部分，该两个部分每个均通过方形倒角连接至各自端部段的纵向部分。

在优选的实施例中，开口表面在垂直于环形密封件的内圆周表面和外圆周表面的方向延伸。

包括本发明的活塞密封件的往复泵可以是被设计成处理低温流体的泵。

包括本发明的活塞密封件的往复泵可以是被设计成用来将流体压缩至高于3000psi的压力的泵。

密封件可以由聚合物或聚合物复合材料构成。

附图说明

图1是活塞密封件的等轴侧视图，该活塞密封件是分离以限定两个不同宽度的端部段。

图2是根据第一实施例的活塞密封件的S形状切口的详细视图；

图3是根据第二实施例的活塞密封件的Z形状切口的详细视图；

图4是截取安装在往复泵中的活塞的截面视图，该活塞通过一系列密封件抵碰泵的气缸壁密封，每个密封件均具有如第一或第二实施例中示出的配置；以及

图5是截取如第一和第二实施例中示出的分离配置的密封件的详细截面视图，该密封件放置于泵活塞槽中。

具体实施方式

图1示出了活塞密封件100，该活塞密封件可以被设置作为用于往复泵活塞的环型活塞密封件，用于活塞表面和活塞往复运动所在的缸膛的壁之间的密封，以防止经过活塞从高压压缩室到活塞低压侧的任何泄漏。环形密封件100是开口环的形状，该开口环具有两个重叠端部段112和114，两个重叠端部段在环形密封件的周向方向(A)延伸并且限定了开口表面110。参照图1和图2，环形密封件100具有外圆周表面116、内圆周表面118以及邻接外圆周表面和内圆周表面的前沿侧面120和尾随侧面122。

开口表面110在外圆周表面116和内圆周表面118之间延伸，并且横向于活塞在缸膛内往复时移动的方向。优选地，如图1和图2示出的，开口表面110在垂直于密封件外圆周表面和内圆周表面的方向延伸。两个端部段被成形以使得它们沿着开口表面110基本上重叠，优选地具有基本上相同的长度(L)。通常两个端部段的表面之间设置有间隙B1和B2以适应运行期间密封件的任何收缩或膨胀。

开口表面110离前沿侧面120的间隔比开口表面离尾随侧面122的间隔更远。开口表面110与前沿侧面120之间的间隔和开口表面110与尾随表面122之间的间隔沿着密封件的圆周方向(A)优选地是恒定的，这意指第一端部段112和第二端部段114沿着它们的整个长度每个均优选地具有基本上恒定的宽度。第一端部段112的宽度W1比第二端部段114的宽度W2大，并且宽度W1和宽度W2的合计基本上等于环形密封件的宽度W(W＝W1+W2)。因此，当密封件最初设置在活塞的密封槽中时，重叠的端部段112和114一起基本上承担与活塞密封件除去分离部分的主体部分相同的截面，使得活塞密封件100被成形为沿着其圆周方向具有基本上恒定截面的环。因为密封件磨损或在运行期间，由于温度的变化密封件可以膨胀或收缩，并且自由端部相对于彼此移动以允许这样的膨胀或收缩，但是它们会继续在大部分上重叠以确保恰当的活塞密封。甚至当活塞密封件100在活塞槽内膨胀至最大允许直径时，活塞密封件的端部段112和114仍维持重叠关系。

第一端部段112的宽度W1是基于泵运行期间压缩流体施加于活塞密封件的压应力计算得来的，该第一端部段的宽度是开口表面110和前沿侧面120之间的间隔。已经发现，通常，当第一端部段的宽度等于活塞密封件宽度的2/3时(W1＝2/3*W)，会获得好的测试结果。在这种情况下第二端部段的宽度是活塞密封件宽度的1/3(W2＝1/3*W)。

端部段112和114的长度L也是基于泵运行期间压缩流体施加于活塞密封件的压应力计算得来的。

在图2示出的活塞密封件的第一实施例中，密封件是S切口型密封件。第一端部段112在圆周方向与第二端部段114在距离D上重叠，并且端部段112的底部(基部)130和顶部132具有将它们连接至端部段112纵向部分的圆倒角。类似地，第二端部段114的底部134和顶部136具有将它们连接至端部段114纵向部分的圆倒角。端部段的纵向部分是在密封件圆周方向延伸的端部段部分，并且对应于如图2示出的重叠距离D。

在图3示出的活塞密封件的第二实施例中，开口表面210具有Z形状，其中，第一端部段212在圆周方向与第二端部段214在距离D1重叠，并且第一端部段212的底部230和顶部232以及第二端部段214的底部234和顶部236具有将他们连接至各自端部段纵向部分的直倒角。在图3中表示了外圆周表面216、尾随侧面222和前沿侧面220，类似于图1和图2的附图标记。端部段的纵向部分是在密封件圆周方向延伸的部分，并且对应于如图3示出的重叠距离D1。

本发明的环形密封件适于用于在高压下泵送低温流体的往复泵中使用，例如适于在高于3000psi的压力下传送低温流体的泵。本发明的环形密封件可以用于将例如液化天然气(LNG)传送至气态燃料内燃机供给***的往复泵中。可以理解的是，本发明的环形密封件具有许多其他的用途，例如其可以用于在不同压力和温度下处理液体或气体的往复泵中。这种泵可以包括仅一个用于密封抵碰缸膛壁的活塞的环形密封件或多个连续布置的相同配置的环形密封件。在较高的压力下，一系列密封件是优选的，因为它们可以提供更好的密封，但是在较低的压力下，一个密封件就可以提供具有较少摩擦力的足够密封以维持泵浦效率。

图4中示出的是包括一系列环形密封件的高压往复泵。泵310包括由泵的本体限定的缸膛380和活塞330，活塞由致动机构通过轴340在缸膛380内的往复运动致动，以使得在泵的压缩冲程期间，当活塞在方向P移动时，其压缩压缩室350内的流体。

活塞330包括一些列任意数目的密封件，例如三个环形密封件300A、300B和300C。每个环形密封件均可以具有如图1到图3示出的并且在图5中进一步详细的分离配置，图5示出了贯穿具有类似于第一或第二实施例密封件配置的环形密封件300A的截面视图，密封件放置于活塞的密封槽中。可以理解的是，在优选的实施例中，一系列密封件中其余的(300B和300C)具有类似的配置并且以类似于如密封件300A的方式设置。在示出的实施例中，环形密封件300A放置于活塞槽360中并且由激发器370支撑，为了更好的密封，该激发器推动密封件与气缸壁紧密地接合。在优选的实施例中，激发器370是金属环。

密封件300包括两个端部段(第一端部段312和第二端部段314)，该两个端部段沿着开口表面310重叠并且每个均具有小于密封件主体的宽度的宽度。如图5示出的，环形密封件300设置在槽360中以使得开口表面310离前沿侧面320的间隔比开口表面离尾随侧面322的更远，该前沿侧面面向较高压力燃烧室350，该尾随侧面面向活塞的相反侧，这意指面向槽的更接近于压缩室350的壁的第一端部段312具有更大的宽度W1。在泵的压缩冲程期间，第一端部段312和第二端部段314不得不承受由来自压缩室350的承压流体施加的压缩应力。第一端部段312和第二端部段314的宽度和长度是基于泵的运行条件和在压缩室中产生的给定流体压力计算得出的。已经发现，当端部段312和314二者都经受由承压流体施加的一部分应力时，第一端部段312(首先暴露至在压缩室350中承压流体的段)不得不承受更大部分的这种应力。于是，第一端部段312增加的宽度减少了泵运行期间密封失效的风险。

已经发现，例如对于用于在约32Mpa(4600psi)压力的承压液化天然气的往复泵，如果活塞密封件由聚合物材料或聚合物复合材料(例如高分子量聚乙烯(UHMW-PE)或装满聚四氟乙烯(PTFE)的青铜)构成，当第一端部段的宽度W1是活塞密封件主体宽度(W)的2/3时是有优势的。可以理解的是，对于不同的往复泵、不同的运行条件和不同的密封件材料，第一端部段的宽度和活塞密封件主体宽度之间的比例是不同的。然而，根据本公开内容的教学，由此可知如果第一端部段(更接近泵压缩室)的宽度比第二端部段(离泵压缩室更远)的宽度大是有优势的。

通过不需要修改密封件的整个尺寸而增加的耐久性，本发明的活塞密封件表现出优于现有技术中描述的分离密封件的条件。在过去，尝试改善密封件耐久性已经导致密封件整个宽度增加。

已经参照多个示例性实施例描述了本发明。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，在不偏离本发明权利要求限定的范围的情况下，可以做出多种变形和修改。

Claims

1.一种往复泵，包括具有缸膛的缸体和安装在所述缸膛中并且由所述缸体支撑的活塞，所述活塞能够运行以在所述缸膛内以往复运动移动，使得所述活塞能够压缩所述缸膛的压缩室中的流体，所述活塞还包括环形密封件，所述环形密封件安装在与所述活塞关联的活塞槽中，使得所述环形密封件抵靠所述缸膛的壁密封所述活塞的表面，所述环形密封件包括具有外圆周表面和内圆周表面的开口环，当所述环形密封件被安装在所述活塞槽中时，所述外圆周表面面向所述缸膛，所述内圆周表面与所述外圆周表面相反并且面向所述活塞，所述开口环包括重叠的第一端部段和第二端部段，在所述第一端部段和所述第二端部段之间限定了开口表面，所述开口表面横向于所述活塞在所述缸膛内往复时移动的方向，并且从所述内圆周表面延伸至所述外圆周表面，其中，所述第一端部段与所述环形密封件的前沿侧面关联，所述前沿侧面面向所述压缩室，并且所述第二端部段与所述环形密封件的尾随侧面关联，所述尾随侧面与所述前沿侧面相反，其中，所述开口表面离所述前沿侧面的间隔比所述开口表面离所述尾随侧面的间隔更远，并且所述开口环由聚合物或聚合物复合材料制成，并且其中，所述开口表面和所述前沿侧面之间的所述间隔是基于运行期间施加于所述环形密封件的压应力计算的，使得运行期间因压缩流体施加在所述环形密封件上的压应力而导致的所述环形密封件损坏的风险减少。

2.根据权利要求1所述的往复泵，其中，所述第一端部段具有基于运行期间施加于所述环形密封件的压应力计算的长度。

3.根据权利要求1所述的往复泵，其中，所述第一端部段和所述第二端部段中的每一个均具有两个部分，所述两个部分均通过弯曲拐角连接至相应的所述端部段的纵向部分。

4.根据权利要求1所述的往复泵，其中，所述第一端部段和所述第二端部段中的每一个均具有两个部分，所述两个部分均通过方形倒角连接至相应的所述端部段的纵向部分。

5.根据权利要求1所述的环形密封件，其中，所述开口表面与所述前沿侧面之间的所述间隔以及所述开口表面与所述尾随侧面之间的所述间隔沿着所述密封件的圆周方向基本上是恒定的。

6.根据权利要求1所述的往复泵，其中，所述第一端部段的表面和所述第二端部段的表面之间设置有间隙B1和B2以适应运行期间所述密封件的任何收缩或膨胀。

7.根据权利要求1所述的往复泵，其中，所述开口表面和所述前沿侧面之间的所述间隔是所述前沿侧面与所述尾随侧面之间的间隔的2/3。

8.根据权利要求1中任一项所述的往复泵，其中，所述开口表面在垂直于所述环形密封件的所述内圆周表面和所述外圆周表面的方向延伸。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的往复泵，其中，所述泵被设计成处理液体形式的流体。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的往复泵，其中，所述泵被设计成处理液体形式的气体燃料。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的往复泵，其中，所述泵被设计成处理低于-130摄氏度的低温流体。

12.根据权利要求1至8中任一项所述的往复泵，其中，所述泵被设计成将流体压缩至高于3000psi的压力。

13.根据权利要求1至8中任一项所述的往复泵，其中，所述泵被设计成将流体压缩至高于46000psi的压力。