包括过盈配合密封环的非接触密封件的制作方法

1.示例性实施例属于密封件领域，特别是包括过盈配合密封环的非接触密封件和密封组件。


背景技术：

2.非接触密封件通常用于密封带轴的旋转机器中的流体。此类机器的示例包括压缩机、泵、鼓风机和其它旋转机器。
3.通常，非接触密封件通过在两个环之间提供密封来操作。这两个环可以相对于彼此旋转。通常，环（密封环）中的一个是轴向可移动的，并由压缩弹簧或波纹管推动与另一个环（配合环，其被固定以防止轴向运动）面对面接触。根据配置，密封环或配合环中的一个配合到旋转机器的旋转轴/转子，并与其一起旋转。旋转环可以经由轴套与转子配合。例如，在波纹管密封件的一些情况下，密封环旋转，但是在其它情况下，配合环旋转。
4.在操作中，在两个环之间形成气体层，其形成密封，同时允许环相对于彼此移动而不彼此接触。气体层由注入非接触密封件的处理气体或密封气体形成。


技术实现要素：

5.公开了一种密封组件，用于与包括旋转轴的旋转机器一起使用。该密封组件包括具有配合环密封面的配合环和限定内部构件的密封环，该内部构件具有轴向延伸的环形表面和径向延伸的密封环密封面。该组件还包括将密封环推向配合环的第一波纹管。在该实施例中，配合环密封面和密封环密封面中的至少一个包括形成在其上的一个或多个凹槽或表面特征，由于密封环和配合环之间的相对旋转，这些凹槽或表面特征导致气体在配合环和密封环之间被抽吸，并且在配合环和密封环之间形成气体层，该气体层促使密封环远离配合环。该组件还包括限定外部构件的环形密封环壳体，该外部构件具有限定轴向延伸接合表面的支脚部分，支脚部分的轴向延伸接合表面和密封环的轴向延伸环形表面在支脚部分的轴向延伸接合表面和密封环的轴向延伸环形表面之间沿过盈直径ds直接过盈配合，密封环壳体还包括连接到支脚部分并位于支脚部分径向外侧的径向延伸的小腿部分，支脚部分在其接合表面处的轴向长度大于小腿部分的轴向长度。
6.在任何现有组件中，凹槽或表面特征可以将气体从密封环的内径朝向密封环的外径抽吸。替代地，凹槽或表面特征可以将气体从密封环的外径朝向密封环的内径抽吸。确切的方向将取决于实施密封组件的环境，并且一些组件可以具有两个密封件，一个在一个方向上抽吸气体，另一个在相反方向上抽吸气体，或者两个都在相同方向上抽吸气体。
7.在任何现有实施例中，密封环壳体还可以包括轴向延伸的大腿部分，该大腿部分连接到小腿部分，并位于小腿部分的径向外侧；从小腿部分与大腿部分的连接处径向向外延伸的毂；以及固定到大腿部分的后部件。第一波纹管可以固定到后部件。
8.在任何现有实施例中，旋转机器为泵、压缩机、鼓风机或搅拌器。
9.在任何现有实施例中，接合表面可以被定位成使得由于此种接合而具有围绕重心
的接近零的净力矩。
10.在任何现有实施例中，配合环密封面可以具有配合环密封面宽度，并且密封环密封面可以具有小于配合环密封面宽度的密封环密封面宽度。
11.在任何现有实施例中，配合环密封面宽度是密封环密封面宽度的1.1至3倍。
12.在任何现有实施例中，组件可以包括第二波纹管，其将第一波纹管和密封环推向配合环。
13.还公开了一种双加压非接触密封组件，用于与包括旋转轴的旋转机器一起使用。该组件包括处理侧密封件和大气侧非接触密封件。任一个密封件或密封件二者均包括现有组件中的元件的上述组合中的一些或全部。该组件还可以包括包围处理侧和大气侧非接触密封件的外壳。该外壳可以包括气体入口通道，密封气体可以通过该通道从密封组件外侧进入处理侧和大气侧非接触密封件之间的区域。
14.通过本发明的技术实现了额外的技术特征和益处。本文详细描述了本发明的实施例和方面，并将其视为所要求保护的主题的一部分。为了更好地理解，请参考具体实施方式和附图。
附图说明
15.在说明书结尾的权利要求中特别指出并明确要求了本文所述的专有权的细节。从下面结合附图的具体实施方式中，本发明的实施例的前述和其它特征和优点是显而易见的，其中：图1是包括过盈配合密封环和单波纹管的非接触密封件的截面；图2a至图2d示出密封面表面纹理图案的非限制性示例，其可以设置在本文公开的密封件或密封组件的任何实施例中的各种环的面上；图3a是包括波纹管的非接触密封件的密封环组件的截面图；图3b是体现本发明特征的替代主环和替代主环壳体的截面图；图4是图3的密封环组件的密封环和壳体的放大截面图；图5是图4的密封环的截面自由体受力图，示出在全操作温度和由处理/阻隔气体施加的外部压力下的力和压力分布；图6是图4的密封环的截面自由体受力图，示出在全操作温度和由处理/阻隔流体施加的内部压力下的接触力和接触压力分布；图7是包括过盈配合主环和两个波纹管的非接触密封件的截面；图8是根据一个实施例的双非接触密封组件的截面；图9是根据一个实施例的双非接触密封组件的截面；图10示出适用于图8和图9的实施例的气体流动路径；图11是非接触密封件的截面，其包括处理侧的双波纹管配置（包括过盈配合）和大气侧的单波纹管配置（不包括过盈配合）；图12是非接触密封件的截面，其包括处理侧的双波纹管配置（包括过盈配合）和大气侧的单波纹管配置（包括过盈配合）；图13是根据一个实施例的双非接触密封组件的截面；图14是根据一个实施例的向内泵送双非接触密封组件的截面；
图15是根据一个实施例的向内泵送双非接触密封组件的截面；以及图16是根据一个实施例的向内泵送双非接触密封组件的截面。
16.本文描述的图表是说明性的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以对本文描述的图或操作进行许多变化。例如，可以以不同的顺序执行动作，或者可以添加、删除或修改动作。此外，术语“联接”及其变型描述了在两个元件之间具有通信路径，并不意味着元件之间的直接连接，它们之间没有中间元件/连接件。这些变型中的全部均被认为是说明书的一部分。
具体实施方式
17.所公开的装置和方法的一个或多个实施例的详细描述在此通过示例的方式呈现，而不是参照附图进行限制。
18.本文发明人发现，当非接触密封件在升高温度下旋转机器中密封流体的位置操作时，密封流体可以在密封环外径周围形成一层沉积物。在此种位置形成沉积物可以使密封环的面不太“平坦”。这继而可以导致高的密封气体消耗率，并且在一些情况下，由于气膜厚度和刚度的损失，最终会导致非接触操作的损失。在一种情况下，这种影响可以表现在包括处理侧密封件和大气侧密封件的双加压非接触密封件的情况下。特别是，此类影响可以在处理侧密封件上看到。
19.本发明公开了一种密封件，其包括密封环，该密封环可抵抗此类平面度损失（如变形），因为其与环形壳体过盈配合。
20.密封环或配合环中的一个包括表面纹理图案，使得其可以在环之间抽吸气体，从而造成环之间的分离或剥离，从而实现非接触操作。虽然具体示出的表面纹理图案是凹槽，但这并不意味着限制，任何类型的表面图案均可以使用，只要它支持上述分离或剥离。如至少部分基于本文的公开内容将会更全面地理解的，此种密封件可以具有带有单个波纹管的液压平衡密封面。此外，与使用非过盈密封环的现有技术相比，可以消除防止或延迟沉积材料形成所必需的到处理侧密封界面的昂贵的清洁流体流。
21.在一些情况下，本文公开的密封件可以是独立的密封件。在其它情况下，其可以用作密封系统的一部分，诸如包括两个密封件的双加压非接触密封件。无论如何，密封件可以用于泵、鼓风机或其它旋转机器。
22.本文中，术语“轴”通常用于指任何旋转机器的轴，轴上可包括或不包括套筒。在提供套筒的情况下，术语“轴”应包括轴和套筒的组合。
23.本发明的方面适用于所有类型的密封件，但尤其可在升高温度流体中操作的密封件中是有益的。作为例子，由于越来越多地使用含有上述有机酸和硫化合物的酸性原油，高温原油腐蚀性正成为炼油厂的主要问题。因此，密封件的冶金中的一些或全部可为耐腐蚀合金，诸如合金-718冶金，其甚至在高温下也能抵抗腐蚀侵蚀。此外，耐腐蚀合金在高温下，例如800℉或更高的温度下，好很多地保持其固有强度。然而，此类合金在耐腐蚀壳体和通常使用的密封环材料之间可能具有不同的热膨胀系数差，该热膨胀系数比低耐腐蚀合金的热膨胀系数高得多。因此，它们之间需要高得多的过盈，以便在升高温度操作下保持壳体正确固定。
24.现在转向与本发明的各方面更具体相关的技术的概述，提供了一种非接触分离密
封件。
25.图1示出根据一个实施例的密封件1的截面。密封件1被示出为单个密封件配置，但是应当理解，密封件1可以与另一个密封件组合使用，形成双非接触密封组件。
26.在一个实施例中，密封件1为干燥气体密封件，因此，由于主环14和配合环16之间的相对运动，通过在密封环14和配合环16之间形成气体层进行操作。特别地，密封气体层分别形成在密封环14和配合环16的密封面15、17之间，并且防止腔室4内的气体沿着轴2从其中逸出。密封气体层由注入非接触密封件的处理侧的处理或气体形成，并且可来源于腔室4。
27.密封件1还包括波纹管18，用于将密封环14推向配合环16。密封环14或配合环16的面15、17中的一个可以包括表面特征纹理区域，使得环相对于彼此的旋转导致密封气体在面15、17之间被泵送，以产生与由液压力和波纹管18施加的力相反的力。此种密封气体还防止面15、17彼此接触。
28.密封气体层，当形成时，将密封面15、17彼此分开并对抗液压力和来自波纹管18的力。这里，密封面15、17中的至少一个可以包括形成在其中的表面纹理特征。表面纹理特征可以被配置成使得它们从面中的一个的外径向其中心/内径吸入气体。此种配置可适用于外径处的压力大于内径处的压力的情况。在相反的情况下（例如，如图8/图9所示，内径处的压力较高），表面纹理图案从内径向外径向外延伸。
29.图2a示出了通用密封面200的示例，其可以是密封环或配合环（14、16）的密封面。该面200中的表面纹理图案/凹槽202是单向的，并且从外径od向内径id延伸。
30.图2b示出了通用密封面204的另一个示例，其可以是密封环或配合环（14、16）的密封面。该面204中的表面纹理图案/凹槽206也是单向的，并且从内径id向外径od延伸。
31.图2c示出了通用密封面208的另一个示例，其可以是密封环或配合环（14、16）的密封面。该面208中的表面纹理特征/凹槽210是双向的，并且从外径od向内径id延伸。
32.图2d示出了通用密封面220的另一个示例，其可以是密封环或配合环（14、16）的密封面。该面208中的表面纹理特征230是双向的，并且从内径id向外径od延伸。
33.在这些情况中的任何一个中，当气体进入表面纹理特征/凹槽时，其随着面相对于彼此旋转而被压缩，以产生使面分离的剥离力。在上述示例中的任何一个中，表面纹理图案/凹槽可以具有2微米至14微米（μm）的深度。
34.再次参考图1，如图所示，波纹管18连接至轴2，并随轴2旋转。轴2以纵向轴线20为中心并围绕纵向轴线20旋转。密封环14连接到波纹管18，并且因此可以相对于轴2轴向移动，同时与轴2一起旋转。波纹管18可以通过套筒23连接到轴2。密封件1包括外壳25，该外壳25可以附接到旋转机器的主体27。配合环16附接到壳体25，使得它们保持彼此固定的关系。可以理解，当轴2在操作期间沿纵向轴线20轴向移动时，波纹管18和密封环14也将移动，而配合环16保持静止。熟练的技术人员将认识到，由于波纹管18造成的压缩和由于压缩气体造成的剥离可以平衡，以在操作期间实现面15、17之间的稳定距离。
35.在图1的布置中，设想表面纹理图案或凹槽将从面15、17之一的内径向外径延伸。此外，在图1的布置中，主体27可以是例如搅拌器、风扇、涡轮等的一部分。如图所示，密封件1包括单个波纹管18，但是如下所述，这并不意味着限制，而是有益的，因为在一些现有系统中，密封件需要两个波纹管来液压平衡密封面，以允许反向压力能力。只有单个波纹管将降
低复杂性。
36.如上所述，在现有系统中，非接触密封件在升高温度下在旋转机器中密封流体的位置操作，密封流体可以围绕密封环14的外径形成一层沉积物。在此种位置形成沉积物可以使密封环的面不太“平坦”。
37.为避免这种变形，密封环14可以由体现本发明的密封环组件60保持。参照图3a、图3b和图4，密封环组件60包括壳体62、密封环14和波纹管18。围绕纵向轴线20为中心的旋转轴2延伸穿过密封环组件60。应该注意的是，在描述实施例时使用的术语“轴向”和“轴向地”是指沿着轴2的轴线20纵向。描述实施例时使用的术语“径向”和“径向地”是指在大致垂直于轴2的轴线20的平面中朝向和远离该轴线。
38.密封环14限定轴向延伸的环形外表面53和径向延伸的密封面15。环形外表面53是密封环14的外表面的一部分，适于与壳体62接合，这将在下面进一步讨论。应该注意的是，环形外表面53不一定是径向最外面的表面，如由邻近密封面15的更径向向外定位的环形表面所证明的。密封环14的密封面15适于与配合环的对应密封面接合。用于构造密封环14的可能材料包括碳、浸渍碳、碳化钨（wc）、碳化硅（sic）、硅/碳石墨复合材料和青铜。
39.壳体62由两件组成，前部件22和后部件24，它们在连结处26焊接在一起。用于构造主环壳体件22和24的可能材料包括合金718、合金625、合金620、合金20、合金c-276、合金42、am 350和不锈钢。优选地，用于构造主环壳体件22和24的材料是耐腐蚀合金。波纹管18在它们的连结处28焊接到后部件壳体24。波纹管18可以是单层或多层构造。构造波纹管18的可能材料包括合金718、合金x-750、合金c-276、am 350、合金20和不锈钢。优选地，用于构造波纹管18的材料是高强度耐腐蚀合金。
40.下文中，此类密封件将被简称为高温和腐蚀性应用密封件或“htc”密封件。
41.上述两件式壳体布置利用可能相当复杂的几何形状，但其可加工成前部件22。此种配置可以在操作温度和压力范围内实现密封面稳定性，在任一方向上具有最小的面锥度或变形量，这通常被称为“od”或“id高度”。此种增强的面稳定性继而导致泄漏减少和密封寿命延长。增强的两件式设计可以用于将密封面附接到大多数传统密封件设计（即推动器）上，其具有类似的性能优势或其它适应性硬件。
42.前部件壳体22被示出为具有接合支脚部分30，密封圈14过盈配合到其中。接合支脚部分30限定轴向延伸的接合表面32，用于与密封环14的外表面53过盈配合接合。支脚部分30具有内部支脚部分34、中间支脚部分36和外部支脚部分38。接合表面32在接合支脚部分后部的接触区域是跟部40，其前部部分是趾部42。在内部支脚部分34和上部壳体区域或大腿部分44之间存在凹部46，而连结大腿部分44和支脚部分30的环形区域是小腿部分48。小腿部分48从支脚部分30径向延伸。如图3b所示，可以包括具有毂部分50的前部壳体件22，然而可被省略，在图3中由线51示出。小腿部分48具有轴向长度ls，其允许小腿部分在密封环14过盈配合到前部件壳体22中时弯曲。内部支脚部分34在其接合表面处，靠近跟部40，具有轴向长度lh。支脚部分30在其接合表面32处具有轴向长度lf。支脚部分30在其接合表面处的轴向长度lf优选大于小腿部分的轴向长度ls。与现有技术的密封件设计相比，支脚部分30和密封环14之间增加的接触区域允许界面处的压力不太集中在一个特定点。
43.此外，图3a和图3b中示出两种可能的主环鼻配置，一种具有如图3a所示的钝鼻54，另一种具有如图3b所示的阶梯鼻56。钝鼻54配置通常与硬密封环材料一起使用，例如硅和
碳化钨，而阶梯鼻56配置通常用与较软的材料一起使用，例如碳。此外，图3a和图3b示出后部件壳体24的两种可能的配置。在如图3a所示的常规配置中，该后部件壳体24的内径（id）在58处朝向密封环14的内径延伸得低。在如图3b所示的第二配置中，后部件壳体24在60处被截断以具有更高的id。
44.为了控制支脚部分与密封环配合表面之间的过盈配合引起的接触压力分布，优选地，其接合表面处的内部支脚部分长度lh与其接合表面处的支脚部分长度lf之比（lh/lf）大于0.5。更优选地，其接合表面处的内部支脚部分长度lh与其接合表面处的支脚部分长度lf之比（lh/lf）在0.500和1.000之间。重要的是，将这种接触压力围绕主体旋转中心分布，以在密封环上实现接近零的净力矩。当应用压力和温度变化时，这对于保持面平整度是必要的。常规的壳体设计在其接合表面处具有接近于零（0）的内部支脚部分长度与支脚部分长度的比，其不具有均匀分布的接触压力，并且难以控制面平整度。
45.先前段落中描述的所有这些前述区域的尺寸（例如长度和厚度），包括密封环尺寸，被视为优化过程的参数，并被反复设计以获得最佳性能特征。这些控制参数允许精确调整，以在宽范围的操作温度和压力或特定的温度和压力组下控制各种主环几何形状和材料的过盈接触压力、接触应力和面稳定性。优化的设计是热不敏感的，并且在过盈配合区域中具有轴向恒定的接触应力分布。控制参数：内部支脚部分34、外部支脚部分38、小腿部分48、毂部分50和大腿部分44在厚度和长度上可以调整，以适应不同的密封环几何形状和材料。倾向于关于横截面重心/旋转中心更加不对称的密封件几何形状，将要求这些控制参数的长度和厚度更加不对称。前部件壳体相对于密封环的相对位置也是设计控制参数，以进一步管理由于温度变化引起的过盈配合的松弛而导致的面锥化或变形。
46.在一个实施例中，在前部件壳体22与密封环14初始过盈配合后，前部件壳体22连结到后部件壳体24。该工艺消除铰链区域中的弯曲应力和力矩，这些应力和力矩存在于传统的单件布置中。
47.在图3和图4的实施例（以及包括密封环组件60的其它实施例）中，公称过盈直径ds（也称为密封直径）设计为非常接近波纹管的平均有效直径edz，如图3所示。波纹管的有效直径或“ed”是假想直径，所施加的压力有效穿透达到该直径，以在密封件上施加闭合力。这类似于推动器式密封件的“平衡直径”。平均有效直径是施加在主环14上的零压差下的理论有效直径，它是波纹管芯外径和内径的算术平均值。密封环14的密封面15被设计成使得平均有效直径位置在零压差下产生初始平衡，其中平均有效直径edz穿过密封面15，如图3所示。
48.密封环14可以是不对称的且平衡的。所示的密封环14被认为是不对称的，因为密封环14从其重心cg轴向定位的两侧是不对称的。所示的密封环14被认为是平衡的，因为波纹管18的平均有效直径edz在零压差下穿过密封面15。
49.当施加外部压差时，波纹管有效直径向下移动至较低值edod，如图3和图5所示。同样，密封面被设计成使得上述ed偏移将平衡比增加到足够的水平，这是基于常规的非接触密封件的现有经验，从而使泄漏最小化。
50.更详细地说，图5示出作用在密封环14上的外部压力。如图所示，尽管全部外部压力作用在壳体62的接合支脚部分30外部的密封环14的悬垂部分上，但是在面15上，压力在id处下降到零压差水平。尽管面压力分布显示为线性的，但实际上，它可以向内或向外弯
曲，这取决于密封面表面纹理特征（或凹槽）的影响。
51.净轴向力（包括由作用在密封环14上的表面纹理特征产生的剥离的力）倾向于导致轴向滑动，在接触区域处压缩密封环14和壳体62之间的波纹管，并将密封环14推向后部件壳体24。
52.类似地，当施加内部压差时，波纹管有效直径从edz向上偏移至edid，如图3和图6所示。与外部压力情况类似，密封面设计确保内部压力处的新的平衡比满足设计要求。
53.通过使过盈直径ds定位成非常接近零压差下波纹管的有效直径edz，在以上提供的内压和外压下，轴向方向上的净轴向力最小化。优选地，过盈直径ds在零压差下在波纹管有效直径edz的正负10%（ 10%和-10%）以内。更优选地，过盈直径ds在零压差下在波纹管有效直径edz的 6%和-6%以内。重要的是使在轴向方向上作用的液压力最小化，以相对于壳体移动密封环。随着这些力的增加，由过盈配合提供的接触力的大小必须增加以防止移动。
54.如上所述，虽然过盈配合直径不变，但有效直径随系统压力而变。取决于应用，可能期望将过盈直径朝着有效直径偏移范围的任一极端偏置。
55.为了组装图3所示的密封环组件60，密封环14首先过盈配合到前部件壳体22中，然后前部件壳体22焊接到后部件壳体24和波纹管18。前部件壳体22的形状已经以这样的方式最优化，即其接合支脚部分30和密封环14之间的接触区域的范围几乎是100%，从其跟部40延伸到趾部42。相比之下，常规的过盈配合主环组件将在跟部40附近具有相对集中的接触，延伸超过对应支脚部分长度的大约20%。
56.在上述讨论中，已经使用了单个波纹管18。在一个实施例中，可使用多个波纹管。例如，参考图7，在替代实施例中，提供了密封件700，其包括与图1的密封件1大致相同的元件，但是具有第二波纹管718。如图所示，第二波纹管718连接在套筒23和第一波纹管18之间。特别地，环702或其它载体可以设置在第一和第二波纹管18、718之间。在一个实施例中，环702可相对于轴2移动。
57.上述实施例已经被示出为与单个密封系统相关。在此类系统中，密封气体通常用作在环之间抽吸的气体。在其它实施例中，提供具有两个或更多密封件的密封系统。密封件中的一个或多个是本文所公开的htc密封件，例如在图1和7中所示。
58.在一个实施例中，提供一种用于旋转机器的双非接触密封系统/组件，用于抑制外壳和旋转轴之间的处理流体排放。该密封系统可以包括处理侧非接触密封件、大气侧非接触密封件和向密封件之间的区域提供分离气体的分离气体供应子系统。处理侧密封件可以是htc密封件，而大气侧密封件可以是任何类型的非接触密封件，包括htc密封件。在此种系统中，处理侧非接触密封件可以包括具有处理侧配合环密封面的配合环和限定内部构件的密封环，该内部构件具有轴向延伸的环形表面和径向延伸的处理侧密封环面。提供一个或多个波纹管，其将第一密封环推向配合环。密封环和配合环中的一个或二者可以包括表面纹理特征，该表面纹理特征由于环的面之间的相对旋转而导致环的面之间的剥离。如上所述，处理侧密封环与环形密封环壳体过盈配合。该密封组件包括外壳，该外壳包围处理侧和大气侧非接触密封件，并包括气体入口通道，气体可以通过该气体入口通道从密封组件外侧进入处理侧和大气侧非接触密封件之间的区域。在下面更全面描述的正常操作中，该气体从该轴通过处理侧和大气侧非接触密封件向外抽吸，并分别导入处理腔室和大气。
59.现参考图8至图10，示出了包括处理侧非接触密封件801和大气侧非接触密封件
802的组件800。应当理解，所示的精确配置不是必需的，并且一般来说，术语第一和第二密封件可以在任何配置中替换本文的处理侧密封件和大气侧密封件。该组件包括外壳804，其包围第一和第二干燥气体密封件801、802的部分。外壳804可以附接到任何类型的主体27或旋转机器，该旋转机器包括具有轴轴线20的旋转轴2。例如，主体27可以是泵主体。外壳804围绕第一干燥气体处理侧非接触密封件801和第二干燥气体大气侧非接触密封件802的部分，并限定气体入口通道840，气体可通过该气体入口通道从密封组件外侧进入第二密封件801、802之间的区域842（气体腔室）。气体从入口通道840行进到气体腔室842并通过第一和第二密封件801、802的方式将在下面更详细地讨论。
60.在图示实施例中，第一和第二密封件为处理侧和大气侧密封件。因此，如图所示，处理侧和大气侧密封件二者均具有两个环，其中一个环与轴2一起旋转。为此，提供套筒823，该套筒823被配置和布置成使得其承载或以其它方式支撑用于每个密封件的旋转环。套筒823连接到轴2并与轴2一起旋转。应当理解，虽然套筒显示为将处理侧和大气侧非接触密封件801、802的旋转环联接到轴2的单件，但是套筒823可以由多件形成。
61.处理侧非接触密封件801可以是图1或图7所示的密封件或它们的变型。更详细地，处理侧非接触密封件801包括如上配置的密封环14和配合环16。由于密封环14和配合环16之间的相对运动，在它们之间形成一层气体。具体地，气体层分别形成在密封环14和配合环16的密封面15、17之间，并且防止腔室4内的气体沿着轴2从腔室4逸出。气体层由注入非接触密封件的处理气体或密封气体形成，并且可来源于腔室4。
62.处理侧密封件801可以包括一个或多个波纹管。如图所示，密封件801包括将密封环14推向配合环16的波纹管18。当然，可以使用额外的波纹管将环推到一起。例如，处理侧密封件801可以包括相对于第一波纹管18以与图7所示相同或相似的方式布置的第二波纹管718。
63.密封环或配合环14、16的面15、17中的一个可以包括带凹槽或纹理的区域，使得环相对于彼此的旋转使密封气体在面15、17之间泵送，从而产生与波纹管18施加的力相反的力。此种气体还防止面15、17彼此接触。
64.气体层，当形成时，将密封面15、17彼此分开，并与波纹管18相对。这里，密封面15、17中的至少一个可以包括形成在其中的凹槽或其它表面特征。凹槽可以被配置成使得它们从面的一个的内径向其外径吸入气体。此种配置适用于内径处的压力大于外径处的压力的情况。此种凹槽的示例在图2b/图2d中示出。如上所述，在这些情况的任何一种中，当气体进入凹槽时，随着一个面旋转而被压缩，以产生使这些面分离的剥离力。
65.再次参考图8，如图所示，波纹管18连接至轴2，并随轴2旋转。轴2以纵向轴线20为中心并围绕纵向轴线20旋转。密封环14连接到波纹管18，并且因此可以与轴2一起旋转并相对于轴2轴向移动。波纹管18可以通过套筒823连接到轴2。如图所示，任选的附接元件824将波纹管18连接到套筒823，但是这可以被省略，并且波纹管18可以直接连接到套筒823。
66.该组件包括可以附接到旋转机器主体27的外壳804。配合环16附接到外壳804，使得它们保持彼此固定的关系。可以理解，当轴2在操作期间沿纵向轴线20轴向移动时，波纹管18也将移动，而配合环16保持静止。熟练的技术人员将认识到，由于波纹管18造成的压缩和由于压缩气体造成的剥离可以平衡，以在操作期间实现面15、17之间的稳定距离。
67.如上所述，在现有系统中，非接触密封件在升高温度下在旋转机器中密封流体的
位置操作，密封流体可以在密封环外径周围形成沉积层。在此种位置形成沉积物可以使密封环的面不太“平坦”。
68.为了避免此类变形，密封环14可以由体现本发明的密封环组件60保持，该密封环组件已在上文图3至图6中讨论过。因此，上面的公开中的全部均适用于图8所示的密封环组件60。
69.与处理侧密封件801类似，大气侧密封件802包括大气侧密封环860和大气侧配合环862。大气侧密封环860联接到轴2并与其一起旋转。如图所示，大气侧密封环860以常规方式连接，不包括处理侧密封件802的特定密封环组件60。熟练的技术人员将认识到，大气侧密封件802可以如此配置。此种配置在图8中示出。图8和图9中的组件以类似的方式工作，并且二者均具有下面关于图10描述的密封气体流动路径。
70.与处理侧密封件类似，大气侧密封件802的密封环或配合环860、862的面861、863中的一个可以包括带凹槽或纹理的区域，使得环相对于彼此的旋转导致密封气体在其面之间泵送，从而产生与偏压设备施加于密封环860的力相反的力。此种气体还防止大气侧密封件的面彼此接触。如图9所示，偏压设备是波纹管890。在替代实施例中，偏压设备可以是弹簧或其等同物。密封环组件860连接到偏压构件890并由偏压构件890偏压，该偏压构件890联接到套筒823。
71.在操作中，旋转轴2可以可操作地联接到设置在旋转机器的处理腔体880中的泵轮或其它设备（未示出）。存在于处理腔体880中的处理流体可以通过密封组件800从环境中密封。虽然密封组件800被描绘和描述为具有两个密封件801、802，但是可以设想更多或更少数量的密封件。此外，在一些实施例中，护罩、衬套、迷宫式密封件或间隙密封件可以在旋转轴2和外壳804之间形成的径向开口上延伸，从而进一步抑制处理流体从处理腔体880向环境的自由流动。
72.如图所示，处理侧波纹管18和偏压构件890二者均连接至轴2，并随轴2旋转。轴2以纵向轴线20为中心并围绕纵向轴线20旋转。密封环14连接到波纹管18，并且因此可以与轴2一起旋转并相对于轴2轴向移动。波纹管18可以通过套筒823连接到轴2。如图所示，任选的附接元件824将波纹管18连接到套筒823，但是这可以被省略，并且波纹管18可以直接连接到套筒823。
73.类似地，密封环组件860连接到偏压构件890，并且因此可与轴2一起旋转并相对于轴2轴向移动。偏压构件890可以通过套筒823连接到轴2。如图所示，任选的附接元件825将波纹管18连接到套筒823，但是这可以省略，并且波纹管18可以直接连接到套筒823。
74.可以在旋转环（例如，密封环14、860）和静止环（例如，配合环16、862）之间限定流体路径，密封气体可通过该路径流动（如图10中一系列箭头所示）。密封气体可以是任何适当密度的气体，诸如二氧化碳（co2）、氮气（n2）、空气、蒸汽或其它气体。密封气体可以经由密封气体入口840引入流体路径。此后，密封气体可以通过导管流入气体腔室842，在气体腔室842中，密封气体可以分成处理侧密封气体流和大气侧密封气体流。处理侧密封气体流可以在第一密封件801的密封环和配合环14、16之间流动，并进入处理腔体880。大气侧密封气体流可以在大气侧密封件802的密封环和配合环860、862之间流动，并被释放到环境中。在处理侧和大气侧气体流两者中，气体从密封面之间的轴2径向向外流动。
75.图9示出了与图8所示相似的另一实施例。在该实施例中，处理侧密封件801包括两
个波纹管18和718。这两个波纹管的配置与上面图7所示的相同或相似。在该实施例中，组件包括包围第一和第二干燥气体密封件801、802的部分的外壳804。外壳804可以附接到任何类型的主体27或旋转机器，该旋转机器包括具有轴轴线20的旋转轴2。例如，主体27可以是泵主体。外壳804包围第一和第二（处理侧和大气侧）非接触密封件801、802的部分，并限定气体入口通道840，气体可以通过该气体入口通道从密封组件外侧进入第二密封件801、802之间的区域842（气体腔室）。气体从入口通道840行进到气体腔室842并通过第一和第二密封件801、802的方式将在下面更详细地讨论。
76.在图示实施例中，第一和第二密封件为处理侧和大气侧密封件。因此，如图所示，处理侧和大气侧密封件二者均具有两个环，其中一个环与轴2一起旋转。为此，提供套筒823，该套筒823被配置和布置成使得其承载或以其它方式支撑用于每个密封件的旋转环。套筒823连接到轴2并与轴2一起旋转。应当理解，虽然套筒显示为将处理侧和大气侧非接触密封件801、802的旋转环联接到轴2的单件，但是套筒823可以由多件形成。
77.密封环14可以由体现本发明的密封环组件60保持，该密封环组件已在上文图3至图6中讨论过。因此，上面的公开中的全部均适用于图8所示的密封环组件60。
78.更详细地说，处理侧非接触密封件801包括如上配置的密封环14和配合环16。密封环14可以由体现本发明的密封环组件60保持，该密封环组件60已经在上文图3至图6中讨论过。因此，上面的公开中的全部均适用于图8所示的密封环组件60。
79.由于密封环14和配合环16之间的相对运动，在它们之间形成一层气体。具体地，气体层分别形成在密封环和配合环14、16的密封面15、17之间，并且防止腔室4内的气体沿着轴2从腔室4逸出。气体层由注入非接触密封件的处理气体或密封气体形成，并且可来源于腔室4。
80.所示处理侧密封件801包括两个波纹管18、718，所述波纹管将密封环14推向配合环16。密封环或配合环14、16的面15、17中的一个可以包括带凹槽或纹理的区域，使得环相对于彼此的旋转导致密封气体在面15、17之间被泵送，以产生与波纹管18施加的力相反的力。此种气体还防止面15、17彼此接触。
81.气体层，当形成时，将密封面15、17彼此分开，并与波纹管18相对。这里，密封面15、17中的至少一个可以包括形成在其中的凹槽或其它表面特征。凹槽可以被配置成使得它们从面中的一个的内径向其中心/内径吸入气体。此类凹槽的示例在图2b/图2d中示出。如上所述，在这些情况的任何一个中，当气体进入凹槽时，随着一个面旋转而被压缩，以产生使这些面分离的剥离力。
82.再次参考图11，如图所示，波纹管18、718连接至轴2，并随轴2旋转。轴2以纵向轴线20为中心并围绕纵向轴线20旋转。密封环14连接到波纹管18、718，并且因此可以与轴2一起旋转并相对于轴2轴向移动。波纹管18可以通过套筒823连接到轴2。如图所示，任选的附接元件824将波纹管18连接到套筒823，但是这可以被省略，并且波纹管18可以直接连接到套筒823。
83.该组件包括可以附接到旋转机器主体27的外壳804。配合环16附接到外壳804，使得它们保持彼此固定的关系。可以理解，当轴2在操作期间沿纵向轴线20轴向移动时，波纹管18也将移动，而配合环16保持静止。熟练的技术人员将认识到，由于波纹管18、718造成的压缩和由于压缩气体造成的剥离可以平衡，以在操作期间实现面15、17之间的稳定距离。
84.与处理侧密封件801类似，大气侧密封件802包括大气侧密封环860和大气侧配合环862。大气侧密封环860联接到轴2并与其一起旋转。如图所示，大气侧密封环860以常规方式连接，不包括处理侧密封件802的特定密封环组件60。熟练的技术人员将认识到，大气侧密封件802可以如此配置成密封环组件60，如图12所示。
85.与处理侧密封件类似，大气侧密封件802的密封环或配合环860、862的面861、863中的一个可以包括带凹槽或纹理的区域，使得环相对于彼此的旋转导致密封气体在其面之间泵送，从而产生与偏压设备施加于密封环860的力相反的力。此种气体还防止大气侧密封件的面彼此接触。如图11和图12所示，偏压设备是波纹管890。在替代实施例中，偏压设备可以是弹簧或其等同物。密封环组件860连接到偏压构件890并由偏压构件890偏压，该偏压构件890联接到套筒823。
86.在操作中，旋转轴2可以可操作地联接到设置在旋转机器的处理腔体880中的泵轮或其它设备（未示出）。存在于处理腔体880中的处理流体可以通过密封组件800从环境中密封。虽然密封组件800被描绘和描述为具有两个密封件801、802，但是可以设想更多或更少数量的密封件。此外，在一些实施例中，护罩、衬套、迷宫式密封件或间隙密封件可以在旋转轴2和外壳804之间形成的径向开口上延伸，从而进一步抑制处理流体从处理腔体880向环境的自由流动。
87.如图所示，处理侧波纹管18和偏压构件890二者均连接至轴2，并随轴2旋转。轴2以纵向轴线20为中心并围绕纵向轴线20旋转。密封环14连接到波纹管18，并且因此可以与轴2一起旋转并相对于轴2轴向移动。波纹管18可以通过套筒823连接到轴2。如图所示，任选的附接元件824将波纹管18连接到套筒823，但是这可以被省略，并且波纹管18可以直接连接到套筒823。
88.类似地，密封环组件860连接到偏压构件890，并且因此可以与轴2一起旋转并相对于轴2轴向移动。偏压构件890可以通过套筒823连接到轴2。如图所示，任选的附接元件825将波纹管18连接到套筒823，但是这可以省略，并且波纹管18可以直接连接到套筒823。
89.如图13所示，可以预想替代路径，其中至少在大气侧密封件中，密封气体在大气侧密封件1100的环的密封面之间在径向向内朝向轴2的方向上流动。在图11中，处理侧密封件801与图8和图9中所示的相同或相似。在该实施例中，大气侧密封件1100包括联接到套筒904的旋转配合环902。套筒904以上述套筒823的方式与轴一起旋转，并且因此配合环902也是如此。配合环902包括旋转面903。
90.大气侧密封件1100还包括密封环904，其可移动地联接到外壳1104。外壳1104连接到旋转机器的主体27，并且如图所示形成为两个部分，但是可以形成为单个元件或多个元件。密封环904通过偏压构件1125可移动地连接到外壳1104，在这种情况下，偏压构件1125被示为弹簧。密封环904包括固定面905。弹簧与面903、905之间形成的密封气膜的相互作用类似于上述情况。
91.本文中，密封面903、905中的至少一个可以包括形成于其中的凹槽或表面纹理特征。这些特征可以被配置成使得它们从面中的一个的外径向其中心/内径吸入气体。此种配置适用于外径处压力大于内径处压力的情况。此类凹槽的示例如图2a所示。如上所述，在这些情况中的任何一个中，当气体进入时，该特征随着一个面旋转而被压缩，以产生使这些面分离并压缩偏压构件1125的剥离力。箭头a示出了气流通过第二密封件1100的方向。
92.外壳1104包围处理侧和大气侧非接触密封件801、1100的部分，并限定气体入口通道1140，气体可以通过该气体入口通道从密封组件外侧进入处理侧和大气侧非接触密封件801、1100之间的区域1142（气体腔室）。类似于上文，流体路径可以被限定在旋转环（例如，环14、902）和静止环（例如，环16、904）之间，密封气体可以通过该流体路径流动。密封气体可以是任何适当密度的气体，诸如二氧化碳（co2）、氮气（n2）、空气、蒸汽或其它气体。密封气体可以经由气体入口通道1140引入流体路径。此后，密封气体可以通过导管流入气体腔室1142，在气体腔室1142中，密封气体可以分成处理侧密封气体流和大气侧密封气体流。处理侧密封气体流可以流过处理侧密封件801，并进入处理腔体880。大气侧密封气体在大气侧密封件802的环902、904之间沿方向a流动，然后被释放到环境中。
93.可以设想以上所示的配置可以“反转”，使得例如图8至图12的密封件为向内泵送，而非向外泵送。也就是说，如下面的图14至图16所示，密封组件可以被配置成使得其通过处理和大气侧密封件朝向轴“泵送”密封气体，而不是例如如图10所示的远离轴。
94.现参考图12至图14，示出了包括处理侧非接触密封件801和大气侧非接触密封件802的组件800。在这些密封件中的全部中，处理侧非接触密封件801和大气侧非接触密封件802的密封环均联接到外壳804。在所有情况下，主密封环通过一个或多个波纹管连接到外壳804。以这种方式，密封环可以被推向配合环。大气侧非接触密封件上的配合环经由套筒1400连接到轴2并与其一起旋转。套筒1400可以支撑配合环16、862二者，并且可以以已知的方式固定地附接到轴2。应当理解，虽然套筒1400被示出为将处理侧和大气侧非接触密封件801、802的旋转环联接到轴2的单件，但是套筒1400可以由多件形成。
95.应当理解，所示的确切配置不是必需的，一般而言，术语第一和第二密封件可以在任何配置中替代处理和大气。
96.该组件包括外壳804，其包围第一和第二干燥气体密封件801、802的部分。外壳804可以直接地附接到或者如图示地用中间环1402附接到任何类型的主体27或旋转机器，该旋转机器包括具有轴轴线20的旋转轴2。例如，主体27可以是泵主体。
97.外壳804包围第一和第二干燥气体处理侧和大气侧非接触密封件801、802的部分，并限定气体入口通道840，气体可以通过该气体入口通道从密封组件外侧进入第二密封件801、802之间的区域842（气体腔室）。气体从入口通道840行进到气体腔室842中并穿过第一和第二密封件801、802的方式大体上与上述方式相反。也就是说，在图12至图14的实施例中，气体从密封件（和形成它们的环）的外径朝向轴2（例如，朝向密封件和形成它们的环的内径）流动通过第一和第二密封件801、802。
98.在图示实施例中，第一和第二密封件为处理和大气侧密封件。因此，如图所示，处理侧和大气侧密封件二者均具有两个环，其中一个环与轴2一起旋转。应当理解，虽然套筒被示出为将处理侧和大气侧非接触密封件801、802的旋转环联接到轴2的单件，但是套筒823可以由多件形成。
99.处理侧非接触密封件801包括如上配置的密封环14和配合环16。由于密封环14和配合环16之间的相对运动，在它们之间形成一层气体。具体地，气体层分别形成在密封环和配合环14、16的密封面15、17之间，并且防止腔室4内的气体沿着轴2从腔室4逸出。气体层由注入非接触密封件的处理气体或密封气体形成，并且可以来源于腔室4。
100.处理侧密封件801可以包括一个或多个波纹管。如图所示，密封件801包括将密封
环14推向配合环16的波纹管18。当然，可以使用额外的波纹管将环推到一起。例如，处理侧密封件801可以包括第二波纹管718（图16），其以与图7所示相同或相似的方式相对于第一波纹管18布置。波纹管18/718可以通过任选的连接元件842附接到外壳804/环1402。
101.密封环或配合环14、16的面15、17中的一个可以包括带凹槽或纹理的区域，使得环相对于彼此的旋转使密封气体在面15、17之间泵送，从而产生与波纹管18施加的力相反的力。此种气体还防止面15、17彼此接触。
102.气体层，当形成时，将密封面15、17彼此分离，并与波纹管18相对。这里，密封面15、17中的至少一个可以包括形成在其中的凹槽或其它表面特征。凹槽可以被配置成使得它们从面中的一个的外径向其中心/内径吸入气体。此类凹槽的示例在图2a/图2c中示出。因此，气流通过密封件的方向如图13-图16二者中所示的方向a。在这些情况中的任何一个中，当气体进入凹槽/表面特征时，其随着一个面的旋转而被压缩，以产生导致面分离的剥离力。
103.在图14至图16中的全部中，如图所示，波纹管18/718连接外壳804，不随轴旋转。
104.轴2以纵向轴线20为中心并围绕其旋转。密封环14连接到波纹管18，并且因此可以相对于轴2轴向移动。如图所示，任选的附接元件824将波纹管18/718连接到外壳804/1402，但是在某些情况下可以省略。
105.如上所述，配合环16附接到轴。可以理解，当轴2在操作期间沿着纵向轴线20轴向移动时，配合环16。因此，配合环16与轴2一起移动，但不相对于轴2移动。本领域技术人员将会认识到，由于波纹管18造成的压缩和由于压缩气体造成的剥离可以平衡，以在操作期间实现面15、17之间的稳定距离。
106.在图14至图16中，密封环14可以由体现本发明的密封环组件60保持，该密封环组件已在上文关于图3至图6讨论过。因此，上述公开内容中的全部适用于图14至图16中任一个所示的密封环组件60。
107.与处理侧密封件801类似，大气侧密封件802包括大气侧密封环860和大气侧配合环862。大气侧密封环860联接到主体804，并且不与轴一起旋转。如图所示，大气侧密封环860与密封环组件60连接，如上所述的。然而，这不是必需的，并且如图15所示，处理侧密封件802的密封环860可以以常规方式连接。
108.与处理侧密封件类似，大气侧密封件802的密封环或配合环860、862的面861、863中的一个可以包括带凹槽或纹理的区域，使得环相对于彼此的旋转导致密封气体在其面之间泵送，从而产生与偏压设备施加到密封环860的力相反的力。此种气体还防止大气侧密封件的面彼此接触。如图14至图16所示，偏压设备是波纹管890。在替代实施例中，偏压设备可以是弹簧或其等同物。密封环组件60连接到偏压构件890并由偏压构件890偏压，该偏压构件890联接到外壳804。
109.在操作中，旋转轴2可以可操作地联接到设置在旋转机器的处理腔体880中的泵轮或其它设备（未显示）。存在于处理腔体880中的处理流体可以通过密封组件800从环境中密封。虽然密封组件800被描绘和描述为具有两个密封件801、802，但是可以设想更多或更少数量的密封件。此外，在一些实施例中，护罩、衬套、迷宫式密封件或间隙密封件可以在旋转轴2和外壳804之间形成的径向开口上延伸，从而进一步抑制处理流体从处理腔体880向环境的自由流动。
110.本发明的各种实施例已参照相关附图进行了描述。在不脱离本发明范围的情况
下，可以设计出本发明的替代实施例。各种连接和位置关系（例如，上方、下方、相邻等）在以下描述和附图中的元件之间阐述。除非另有说明，否则这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明不意图在这方面进行限制。因此，实体的联接可以指直接或间接联接，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接位置关系。因此，本文中的任何联接或连接在下面的权利要求中可能稍后被称为直接的，即使没有以上述方式具体叙述。此外，本文描述的各种任务和过程步骤可以被合并到具有本文没有详细描述的附加步骤或功能的更全面的程序或过程中。
111.术语“大约”旨在包括与基于提交申请时可获得的装备的特定量的测量相关的误差程度。
112.本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一个（a）”、“一个（an）”和“该（the）”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解，术语“包括（comprises）”和/或“包括（comprising）”当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或它们的组的存在或添加。
113.虽然已参考一个或多个示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种变更，并可对其元件进行等效替换。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，旨在本公开不限于作为实施本公开的最佳模式公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求范围内的所有实施例。