專利名稱：旋轉(zhuǎn)密封裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢氣渦輪增壓器領(lǐng)域。本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的旋轉(zhuǎn)密封裝置，以及一種根據(jù)權(quán)利要求5的前序部分所述的活塞環(huán)。本發(fā)明另外涉及一種具有一個相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)密封裝置的渦輪增壓器。
背景技術(shù)：
隨著功率的不斷增加以及隨之而來的熱負(fù)載日益提高，用于密封渦輪增壓器中的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的通常商用的活塞環(huán)已不再能夠完全實現(xiàn)它的作為軸密封裝置的功能。
所述活塞環(huán)安置在一個固定的構(gòu)件和至少一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間，用作氣和/或油的密封裝置。通常在安裝渦輪增壓器時，活塞環(huán)被施加徑向向外指向的預(yù)張緊力的載荷，并傳力地和密封地與固定的構(gòu)件相連接。工作中，活塞環(huán)在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的方向上通過較大的緊貼的空氣或廢氣壓力壓緊。因此活塞環(huán)和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的密封間隙變小，這樣產(chǎn)生所需的密封作用。為了以最小的密封間隙取得最優(yōu)的密封作用，一個新安裝的活塞環(huán)在軸向上通過在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件處的摩擦而研磨。通過所述研磨使得在工作中的制造尺寸偏差(公差)在密封間隙上的不良影響得以消除?；钊h(huán)和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間的摩擦導(dǎo)致活塞環(huán)顯著的加熱。
另外，在渦輪一側(cè)活塞環(huán)也可能會暴露在受工作影響的很高的溫度下。雖然在平穩(wěn)工作中溫度相對穩(wěn)定在一個相匹配的量級上，然而在渦輪增壓器斷開時產(chǎn)生補充加熱，活塞環(huán)的溫度可能達到某個范圍，此溫度范圍對于預(yù)張緊力損失是危險的。特別是在緊急停機的情況時，如果冷卻措施必須切斷，就常有很高的溫度峰值。
如果活塞環(huán)變得太熱，徑向預(yù)張緊力就消失，活塞環(huán)對于固定構(gòu)件不再充分密封，這根據(jù)材料可能甚至從350℃就開始發(fā)生。另外張緊釋放后的活塞環(huán)趨于同旋轉(zhuǎn)構(gòu)件一起旋轉(zhuǎn)，這可能導(dǎo)致非正常的磨損，甚至最終斷裂。損壞的活塞環(huán)可能引起渦輪增壓器相當(dāng)嚴(yán)重的工作故障。
在傳統(tǒng)活塞環(huán)材料的選擇中，要考慮一方面使用一種盡可能柔軟的材料，從而有利于研磨過程，并獲得盡可能優(yōu)化的密封。另一方面，應(yīng)該采用一種盡可能耐熱的和耐高溫的材料，從而在即使低熱負(fù)載時也不使預(yù)張緊力有危險。然而，柔軟和耐熱性變形很難兼得，以致并非是不互相矛盾的材料特性。所以在選擇材料時必須達到折衷，相應(yīng)地在一方面或另一方面進行妥協(xié)。
US 3,099,453公布了一種旋轉(zhuǎn)密封裝置，該裝置借助于一個活塞環(huán)和固定在其上的第二環(huán)用于使一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件相對于一個固定殼體進行密封，其中所述被固定到活塞環(huán)上的第二環(huán)通過摩擦接觸被以上兩構(gòu)件中的一個磨掉。固定到活塞環(huán)上的環(huán)由柔軟材料制成，該材料有利于所述研磨過程。通過一個彈簧來保證密封，該彈簧把活塞環(huán)和固定于其上的第二環(huán)在軸向上朝向旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壓緊。
EP 1 130 220 A2公布了一種旋轉(zhuǎn)密封裝置，該裝置借助于一個活塞環(huán)用于使一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件相對于一個固定的殼體進行密封，所述活塞環(huán)通過在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的摩擦在軸向上被磨掉。為了防止活塞環(huán)被過量地磨掉，在殼體上設(shè)置一個止擋部位，它限制活塞環(huán)在軸向上的推移的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種前述類型的旋轉(zhuǎn)密封裝置和一種相應(yīng)的活塞環(huán)，該活塞環(huán)即使在高溫負(fù)載時也充分保證軸的密封。
根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過權(quán)利要求1和5的特征來解決。根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)密封裝置包括一個具有至少兩個由不同材料制成的部位的活塞環(huán)，其中該活塞環(huán)包括一個具有與一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件一起共同作用的接觸面的第一部位，該部位由一種柔軟的、易磨蝕的材料制成，用于最優(yōu)地支持活塞環(huán)和第一構(gòu)件之間所需的研磨過程；并包括一個由一種耐熱材料制成的第二部位，用于持久地保持徑向壓力。
細(xì)分成兩個由不同材料制成的部位的活塞環(huán)具有以下優(yōu)點該活塞環(huán)利用由高耐熱的材料制成的部位使得持久保持所需徑向壓力成為可能，并且同時通過由可剝離材料制成的部位更好地支持活塞環(huán)和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間所需的研磨過程。以上所述的在選擇材料時的折衷問題因此變得無關(guān)緊要。
在根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)密封裝置里有利地設(shè)置一個止擋部位，它限制活塞環(huán)在軸向上的推移的可能性。這就可以在研磨過程中控制活塞環(huán)的研磨深度。在這種情況下可剝離的部位最好有一個至少要和活塞環(huán)到止擋部位間的最大推移可能性相適應(yīng)的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的活塞環(huán)最好按此方法設(shè)計第一柔軟部位設(shè)計成一個環(huán)形，該第一部位分別至少在一側(cè)被第二耐高熱的部位在軸向上和徑向上包圍。這防止了在工作中柔軟部位被從徑向推離較硬的耐熱的部位。
其它優(yōu)點由從屬權(quán)利要求得到。


下面根據(jù)附圖對一個根據(jù)本發(fā)明的連接的實施例示意性地示出，并作更詳細(xì)說明。在所有附圖里作用相同的工作元件設(shè)有相同的附圖標(biāo)記。附圖示出圖1 一個具有兩個在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件和固定殼體件之間布置的旋轉(zhuǎn)密封裝置的渦輪增壓器，圖2 一個根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的、圖1的渦輪一側(cè)的旋轉(zhuǎn)密封裝置在研磨過程開始前的放大視圖，圖3 根據(jù)圖2研磨過程完成后在工作狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)密封裝置。
圖4 一個根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的、圖1的壓縮機一側(cè)研磨過程完成后，在工作狀態(tài)中的旋轉(zhuǎn)密封裝置的放大視圖。
圖5 一個根據(jù)圖1的旋轉(zhuǎn)密封裝置的活塞環(huán)，和圖6 圖5上沿V-V穿過活塞環(huán)的斷面視圖。
a)研磨過程開始之前，和b)在研磨過程完成后的工作狀態(tài)。
具體實施例方式
圖1示出了一個渦輪增壓器的局部視圖。壓縮機輪1在左側(cè)示出，它被固定在可旋轉(zhuǎn)地支承的軸3上。該軸又與右側(cè)處的渦輪2連接。該渦輪包括沒有示出的葉片，廢氣蒸汽通過該葉片來驅(qū)動渦輪。壓縮機輪也同樣包括未示出的葉片。
未示出的軸向和徑向軸承安置在所述兩輪之間的部位上。因而任意數(shù)量的構(gòu)件可以卡在壓縮機輪的一個軸向止擋部位和所述軸的一個軸向止擋部位之間，這些構(gòu)件在工作狀態(tài)下和軸一起旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行密封和/或軸承功能。
非旋轉(zhuǎn)的殼體件4分別安置在所述兩輪后側(cè)，該殼體件面對軸承部位一方面屏蔽產(chǎn)生的熱，另一方面屏蔽流動管路內(nèi)的壓力。為了使高壓不溢出到軸承部位中，并因此不使?jié)櫥蛷牟恍D(zhuǎn)的殼體的軸承部位內(nèi)溢出，相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)密封裝置安置在殼體件4和與軸一起旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件之間。
渦輪一側(cè)的密封裝置在圖2和圖3里示出。在底部分別示出帶有一圈用于活塞環(huán)5的槽22的渦輪2的構(gòu)件。殼體件4徑向安置于渦輪外側(cè)。槽22的壓縮機側(cè)的壁用作一個接觸面21，該壁和活塞環(huán)5的相應(yīng)的接觸表面一起用于密封地進行工作。
活塞環(huán)5在安裝時要導(dǎo)入到槽22中。然后渦輪2沿軸線方向從右側(cè)推入到殼體件4中。此時，活塞環(huán)被徑向的預(yù)張緊力加載，因為殼體件沿推進路徑在一個或多個位置42或其它位置上連續(xù)地收縮。為此目的如圖5中所示，活塞環(huán)最好設(shè)置一個槽縫53，并設(shè)計成一種允許相應(yīng)地徑向預(yù)張緊的卡緊環(huán)?；钊h(huán)沿殼體件4的內(nèi)側(cè)沿軸向推進。此時活塞環(huán)沒有在槽22內(nèi)卡緊，該活塞環(huán)在軸向具有直到十分之幾毫米的間隙。
壓縮機一側(cè)的密封裝置在圖4里示意性的示出，活塞環(huán)5安置在位于連接到旋轉(zhuǎn)軸上的壓縮機輪1和不旋轉(zhuǎn)的置殼體件4之間的過渡部位上。在壓縮機輪和軸的一個軸向止擋部位之間示出了一個牢固卡緊的共同旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件6—例如一個軸承件或一個密封盤。
活塞環(huán)5在安裝時從左側(cè)沿軸向推入到殼體件4中。在此時活塞環(huán)被徑向施加預(yù)張緊力，因為殼體件沿推進路徑在一個或多個位置42或其它位置上連續(xù)地收縮。為此目的，活塞環(huán)最好又設(shè)計成一種卡緊環(huán)。隨后壓縮機輪被推入到殼體件4內(nèi)，并固定到軸上。此時活塞環(huán)在軸向沿殼體件4的內(nèi)側(cè)推過軸向止擋部位12，直到最后該活塞環(huán)被安置在壓縮機輪的軸向止擋部位和密封盤6之間。活塞環(huán)此時沒有卡緊，并且在軸向有大到十分之幾毫米的間隙。密封盤6包括一個接觸面61，該接觸面與活塞環(huán)5的一個相應(yīng)的接觸面共同用于密封地進行工作。
當(dāng)一個新裝的活塞環(huán)第一次開機工作時，在相對旋轉(zhuǎn)的接觸面的接觸部位上的上述研磨過程中就產(chǎn)生了因摩擦而引起的材料剝蝕。此時在這一次研磨過程期間，活塞環(huán)5通過在圖3中用箭頭表示的高壓壓向槽的旋轉(zhuǎn)的接觸面21或密封盤的旋轉(zhuǎn)的接觸面61，并被該接觸面象研磨輪一樣研磨。
研磨過程完成后，為了防止在連續(xù)工作中活塞環(huán)被磨得太深或被磨穿，在殼體件4上設(shè)置一個軸向止擋部位41。該軸向止擋部位限制了活塞環(huán)的軸向推移的可能性。因此當(dāng)渦輪增壓器在工作狀態(tài)時，在密封地共同作用的接觸面部位中，基本上在軸向沒有力傳遞。沿箭頭方向指向活塞環(huán)的力被軸向止擋部位41反向抵消。
所以在研磨過程中只有可剝離部位51的柔軟材料被磨蝕掉，那么就使剝離層的軸向延伸部分a選擇得比活塞環(huán)的受軸向止擋部位41限制的最大推移量b要大。通過硬的接觸面21或61與活塞環(huán)52的環(huán)體的硬材料彼此問摩擦而導(dǎo)致的所不希望的大量生熱因此也不存在。
根據(jù)本發(fā)明，在圖5和圖6里詳細(xì)示出的活塞環(huán)5包括兩個由不同材料制成的部位51和52。圖6a)示出活塞環(huán)在渦輪增壓器第一次開機工作之前及因此研磨過程之前的狀態(tài)，而圖6b)中示出了在研磨過程之后的活塞環(huán)。此時可以清楚地看到第一個部位的部分5 4被磨掉了。
和槽的接觸面21或密封盤的接觸面61共同工作的接觸面位于剝離部位51內(nèi)，該剝離部位由一種柔軟磨蝕的材料、例如鎳-石墨合金制成。形成活塞環(huán)環(huán)體的第二個部位52的材料是一種更硬的但高耐熱的置材料，例如INCONEL。該高耐熱的材料具有即使在高溫下也不失去彈性的特性。用于預(yù)張緊力的彈簧力就是這樣根據(jù)材料在高達600℃的溫度時得以保持。
在活塞環(huán)軸向?qū)挾葹槔?.5到3.0mm時，把剝離層的厚度設(shè)計成0.5到0.7mm就足夠了。這樣在前述研磨過程中，只需要少產(chǎn)生較少的熱量就能磨去足夠軟的材料，從而取得所需的間隙密封的最優(yōu)效果。
在活塞環(huán)生產(chǎn)中，最好首先例如用車削來制造活塞環(huán)的環(huán)體52，然后像涂層一樣例如用火焰噴涂敷上剝離層51。用于剝離部位的凹槽可提前從活塞環(huán)環(huán)體上去除。剝離部位51最好被更硬的、耐熱的置材料徑向向外限制住。這就可以防止在工作中柔軟的剝離層變形并被徑向向外擠壓。另外以此在涂層過程中，在預(yù)先設(shè)定的部位以外的材料沉積可以得到更有效地防止。
根據(jù)本發(fā)明的活塞環(huán)也可以設(shè)有多個剝離部位，例如當(dāng)要密封多個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件、或一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件具有多個相互分開的與活塞環(huán)共同工作的接觸面的時侯。
如果渦輪增壓器的要求許可，根據(jù)本發(fā)明的活塞環(huán)也可以只使用在一側(cè)，而另一側(cè)則用一個傳統(tǒng)的活塞環(huán)進行密封。
附圖標(biāo)記列表1壓縮機輪11 徑向槽12 軸向止擋部位2渦輪21 接觸面，研磨部位22 徑向槽3軸4殼體件41 軸向止擋部位42 徑向收縮處5活塞環(huán)51 剝離部位52 耐熱的部位53 環(huán)形間隙54 磨掉的部位6密封盤61 接觸面，研磨部位a剝離部位厚度b活塞環(huán)的最大推移量
權(quán)利要求
1.包括一個用徑向預(yù)張緊力加載的活塞環(huán)(5)和至少兩個要被該活塞環(huán)密封的構(gòu)件(2，4，6)的旋轉(zhuǎn)密封裝置，其中所述構(gòu)件在活塞環(huán)的部位上具有接觸面(21，61)，該接觸面和活塞環(huán)密封地接觸，至少一個第一構(gòu)件(2，6)與活塞環(huán)可彼此相對旋轉(zhuǎn)，其中第一構(gòu)件的接觸面(21，61)和活塞環(huán)的一個相應(yīng)的第一接觸面密封地共同工作，其中活塞環(huán)包括至少兩個由不同材料制成的部位(51，52)，并且在這兩個部位的第一部位(51)中布置和第一構(gòu)件(2，6)的接觸面(61)共同工作的第一接觸面，其特征在于，第一部位(51)由一種柔軟易磨蝕的材料制成，用于更好地支持活塞環(huán)和第一構(gòu)件之間所希望的研磨過程；并且第二部位(52)由一種耐熱的材料制成，用于持久地保持徑向預(yù)張緊力。
2.權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)密封裝置，其特征在于，第二構(gòu)件(4)的接觸面密封地和活塞環(huán)的一個相應(yīng)的第二接觸面共同作用，其中活塞環(huán)被預(yù)張緊力壓向第二構(gòu)件的接觸面；由于活塞環(huán)的第一接觸面在第一構(gòu)件的接觸面(21，61)上摩擦，活塞環(huán)的第一部位至少有部分磨損，在此情況下，活塞環(huán)沿第二構(gòu)件的接觸面在第一構(gòu)件的接觸面的方向上可以推移。
3.根據(jù)權(quán)利2要求所述的旋轉(zhuǎn)密封裝置，其特征在于，活塞環(huán)在第一構(gòu)件的接觸面方向上的可推移性受到一個止擋部位(41)限制；活塞環(huán)的第一部位(51)在推移方向上有一個延伸部分(a)，該延伸部分至少相應(yīng)于活塞環(huán)在第一構(gòu)件的接觸面方向上受止擋部位限制的最大位移(b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的旋轉(zhuǎn)密封裝置，其特征在于，多個構(gòu)件相對于活塞環(huán)可以旋轉(zhuǎn)地布置；活塞環(huán)相應(yīng)地包括多個由柔軟易磨蝕的材料制成的部位。
5.用于密封至少兩個相互旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件的活塞環(huán)，其中該活塞環(huán)具有一個第一接觸面和一個第二接觸面，所述第一接觸面用于與一個第一構(gòu)件的一個接觸面一起起密封作用，所述第二接觸面用于與一個第二構(gòu)件的接觸面一起起密封作用，活塞環(huán)為了和所述構(gòu)件之一一起起密封作用而能夠被徑向張力加載，并且活塞環(huán)包括至少兩個由不同材料制成的部位(51，52)，其中所述第一接觸面布置在所述兩個部位中的第一個(51)中，其特征在于，第一部位(51)由柔軟易磨蝕的材料制成，用于更好地支持活塞環(huán)和第一構(gòu)件之間希望的研磨過程；第二部位(52)由一種耐熱的置材料制成，用于持久地保持徑向預(yù)張緊力。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞環(huán)，其特征在于，活塞環(huán)包括多個由柔軟易磨蝕的材料制成的第一部位。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的活塞環(huán)，其特征在于，至少有一個第一部位(51)是環(huán)形的；第二部位(52)軸向和徑向分別至少在一側(cè)包圍第一部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項所述的活塞環(huán)，其特征在于，至少一個第一部位(51)和第二個部位(52)牢固地互相連接在一起。
9.在一個殼體內(nèi)包括一個渦輪(2)以及一個通過一個可旋轉(zhuǎn)地支承的軸(3)與渦輪相連接的壓縮機輪(1)的渦輪增壓器，其特征在于，在壓縮機輪和/或渦輪的部位上借助于根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項的密封裝置對于軸(3)相對于固定的殼體件進行密封。
全文摘要
本旋轉(zhuǎn)密封裝置包括一個帶有至少兩個由不同材料制成的部位(51，52)的活塞環(huán)(5)，其中第一部位(51)由一種柔軟易磨蝕的材料制成，第二部位(52)由一種耐熱的材料制成，這種細(xì)分成由不同材料制成的兩個部位的活塞環(huán)具有的優(yōu)點是，該活塞環(huán)可以持久地保持所要求的徑向預(yù)張緊力，并同時最優(yōu)地支持活塞環(huán)和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間所希望的研磨過程。
文檔編號F16J15/44GK1580615SQ20041005775
公開日2005年2月16日 申請日期2004年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月15日
發(fā)明者D·博楚 申請人:Abb渦輪系統(tǒng)有限公司