本发明涉及用于大型水力机械，如水轮机和水泵中的端面机械轴封，这种轴封能防止流体沿机械的转轴泄漏。本发明还涉及到用于这种轴封中的套装型密封环组件。 在1973年8月出版的《水力》（Water Power）第309-314页中，和在日本实用新型公开NO.12678/1983（在后审查公开NO.14377/1987）中，公开了一种用于大型水力机械中的典型的传统端面轴封。
这种已知的轴封示于图10中，它有一个固定在水力机械的转轴51上并提供座面的环形法兰55，一个围绕法兰55的环形壳56，一个可沿转轴51轴向运动的环形密封环夹持件53，一个环形密封环52，一个用来将密封环52紧固在密封环夹持件上的夹紧环54，和多个用来将夹紧环固定到密封环夹持件上、以便将密封环夹紧在夹紧件和密封环夹持件之间的螺栓57。密封环52由多个分块（以下称为环块）组成，每个环块都呈扇形或弓形。这些环块被夹持在密封环夹持件53和夹紧件54之间，以构成在周向上为连续的密封环52。在这种轴封中，实质上所有的密封环52的环块都被均匀地夹紧。这是因为，如果各环块的端面彼此不紧密贴合，则密封环的密封端面会变得不平滑并且在周向不连续，就会使内部流体从中漏出。为了避免这种缺陷，实质上所有各环块都被均匀地夹紧，并受到精密加工以便获得所需的轴向厚度。
密封环的各环块通常由纤维加强的塑料、石墨或陶瓷制成。使用这些材料很难达到高的尺寸精度，因此密封环的生产成本提高了。使用这种已知轴封遇到的另一个问题是，由于密封环52的各环块被直接夹紧在密封环夹持件53和夹紧环54之间，因此这些环块因夹紧环54的过度的夹紧力易于被压碎或破碎，特别是当这些环块是由石墨或陶瓷这样较脆的材料制成时，尤其是如此。
因此，本发明的目的是提供一种结构简单但易于提供尺寸精度高的平滑密封端面的套装式密封环组件，由此克服上述先有技术中的问题。
本发明的另一个目的是提供一种用于水力机械中的改进的端面机械轴封，它带有上述的密封环组件。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于端面机械轴封中的密封环组件。该组件包括一个环形的密封环套，该环套具有一基本上为环形的端面，端面内成形有一基本上为环形的槽，一个密封环部分地装入该槽中并利用粘合剂固定在环套上。密封环由多个环块组成，每个环块都有基本上为弓形的横截面和基本上为圆柱面的径向内表面和外表面，以及两轴向端面和两侧面。各环块都安置在环形槽中，其中每个环块的一个端面装在槽中，而另一个端面轴向向外地凸出于环套的端面。各环块沿着圆周一个挨一个彼此贴靠地排列，以构成密封环。各环块的另一个端面基本上均处于同一平面上，以提供一个基本上平滑的并沿周向基本上连续的密封表面。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于水力机械中的端面机械轴封，该轴封带有上述结构的密封环组件。
本发明具有下列优点：
（1）由于密封环组件是套装式的，因此它能非常容易地安装在轴封上，并易于从中取下;
（2）由于构成密封环的各环块由环套夹持，所以各环块可被安装并压紧，而不会有任何损坏的危险，即使是当环块由石墨或陶瓷这些较脆的材料制造时，也是如此;
（3）密封环的环块不需要精密加工，即，为了使整个密封环组件具有一个平滑的密封面，可以在将环块组装在环套中之后，对环块的端面进行加工，以制成平滑的端面。因此，生产成本显著降低，并且在其工作开始阶段就可实现高度密封效果;
（4）有可能获得大直径的密封环。
从下面的说明中，可更加明白地理解本发明的这些及其它目的、特征和优点。
图1是根据本发明的轴封的一个实施例的局部剖视图。
图2是沿图1中线Ⅱ-Ⅱ的剖视图。
图3是沿图2中线Ⅲ-Ⅲ的放大剖视图。
图4是沿图1中的Ⅳ-Ⅳ线的剖视图。
图5A-5E是表示密封环组件制造过程的透视图。
图6是密封环组件的展开图，示出了密封面，由于各环块的厚度不一致，所以该密封面不是平滑的。
图7是表示改型的密封环组件的与图3类似的图。
图8是根据本发明的轴封的另一个实施例的局部剖视图。
图9是带有本发明的轴封的水轮机的局部垂直剖视图。
图10是前面讨论过的先有技术的局部垂直剖视图。
首先参见图9，这是应用了本发明的水轮机的局部垂直剖视图。其中水轮机具有一根转轴1，该转轴的一端与叶轮3相连接。构成水路的尾水管4装有导叶5，该导叶位于叶轮3附近并适于调节水流量。由标号100总体指示的端面机械轴封，用于阻止水通过壳2和转轴1间的间隙泄漏。
在图1中，以局部垂直剖视的形式表示了端面机械轴封（以下简称轴封）的一个实施例。
一个基本上为环形的第一部件6固定在转轴1上，而随之一同转动。在所示的实施例中，第一部件6是一个法兰。法兰6由两个半部件组成（当然也可由多个弓形截块组成），每个半部件都呈半圆环形。两个半部件包围转轴1并由螺栓7固定在一起，螺栓7垂直于转轴1的轴线延伸。带有本发明轴封的水轮机的转轴1，通常直径很大，例如直径为2米。因此，非常难于用一件材料制作这种法兰6，也难于将法兰6固定在转轴1上。从而，制备法兰6的一种特殊方式是用两个半部件构成法兰6，然后用螺栓7将它们彼此组装起来，由此将如此构成的法兰6整体地固定在转轴1上。法兰6的一个端面提供一个基本上为环形的座面21。密封环组件的密封环112与该座面21滑动接触，这一点后面将要说明。
环形密封壳102固定在水轮机壳2上。密封壳102有一个环形的外围壁部分9和一个环形盖部分11。对于大型水轮机，难于将部分9和11分别制成一个整体件。因此，外围壁部分9和盖部分11分别由两个半环形的半部件构成，这些半部件分别由螺栓13和16彼此组装起来，这与法兰6的组装方式是类似的。外围壁部分9的两个半部件在它们的连接部分有焊接在其上的凸块9A。在外围壁部分半部件的两径向端的相对的凸块9A，通过将螺栓13拧入凸块中的孔中而彼此固定，由此使两半部件彼此组装成一个完整的环形外围壁部分9。类似地，盖部分11的两个半环形半部件由螺栓16在它们的凸块11A处紧固在一起，该螺栓16穿过凸块11A中对正的孔。
一个基本上为环形的第二部件，在此例中它是一个由标号10指示的密封环夹持件，它设置在盖部分11的内周缘处，可沿盖部分11的轴向运动。由图4可见，密封环夹持件10由两个半环形的半部件10A和10B构成（当然也可由多个弓形截块构成），分别在半部件10A和10B外表面的两圆周端28A和28B处焊接有凸块22，螺栓23穿过凸块22中的孔，并用螺母23A拧紧螺栓23以将半部件10A和10B紧固在一起。
密封环夹持件10的横截面基本上为L形。一个密封圈14嵌在密封环夹持件10上端部外圆周表面上的环形槽中。密封圈14以流体密封形式与盖部分11的内周面滑动接触。密封环夹持件10的下端部有一个环形法兰，多个直立的销钉24的一端紧固在该法兰中。盖部11的下端表面有多个导孔34，销钉24的另一端可滑动地装入该导孔中，使得销钉24可在导孔34中轴向运动。在每个销钉24上都缠绕着一个压缩螺旋弹簧8，以产生一个向下的力，将密封环夹持件10向下弹性地偏置。销钉24作为止动件，以阻止密封环夹持件10绕自身轴线转动。绕有弹簧8的多个销钉24沿一圆周以适当的间距布置。
密封环组件101由螺钉18可拆卸地紧固到密封环夹持件10的下端表面。由图1、2和3可见，密封环组件101有个环形的环套117，环套有个基本上为环形的端面132，端面内加工有一个基本上为环形的槽120，一个密封环112部分地装入槽120中并由粘结剂124固定在环套上。
密封环112由多个环块112A组成，每个环块具有基本上为圆柱面的径向外表面112A-1和内表面112A-2，两个轴向端面112A-3和112A-4，和两个周向端面112A-5和112A-6。在沿着垂直于密封环112轴线的平面上，每个环块都有一个弓形的横截面。在所示的实施例中，密封环112由四个这样的环块112A组成。
这些环块112A的设置方式是，它们的一个轴向端面112A-3装在槽120中，而另一个端面112A-4轴向向外地凸出于环套117的端面132。环块的排列方式是，每对相邻环块的相邻的周向端面彼此贴靠。各环块112A的另一轴向端面112A-4基本上彼此平齐，以提供一在周向基本上为连续的且基本上平滑的环形密封表面113。
密封环112的密封表面113与法兰6的座面21滑动接触，以提供流体密封，该密封能有效地防止内部流体通过密封壳102和转轴1的外表面间的间隙泄漏。
由图2可见，在这个实施例中，环套117由一对弓形的半套117A组成（当然也可由多个弓形截块组成），而密封环112由四个环块112A组成（如前所述）。密封环套117的两个半套117A的相邻的周向端面彼此贴靠，同时密封环112相邻环块的相邻的周向端面也彼此贴靠。半套117A的两个贴靠部分117A′与密封环112两邻接对环块112A的贴靠部分112A′，处于相同的周向位置。换言之，贴靠部分117A′和112A′在径向上是对正的。
密封环组件101由螺钉18可拆卸地紧固在密封环夹持件10的下侧，螺栓18穿过沿轴向在环套117中加工出的孔119。在此情况下，密封环组件101可被称为套装型。
环块112A可由石墨、陶瓷（SiC或Si3N4）和纤维加强的塑料制成。粘结剂124可以是环氧树脂粘结剂。
由图3可见，密封环套117和密封环112的尺寸被设计成在槽120的侧面和环块112A之间形成间隙h1和h2。将一层粘结剂124注入到间隙h1和h2中，由此将各环块112A固定到环套117的壁上。
在图3所示的实施例中，在环套117的槽120的底部形成有一对窄沟125。此对窄沟通过多条径向延伸的通道126彼此连通。径向靠里的窄沟125通过多条进一步的通道127与环套117的内周面117′相通，通道127沿径向穿过环套117。窄沟125和连通的通道126、127能将进入到环套117的槽120的底部和密封环112间的缝隙中流体，通过径向通道127排出密封环套117。因此，就有可能消除由于槽120中流体的压力而将密封环112的环块112A推出槽120的危险。窄沟125还用于排放粘结剂，它有效地防止粘结剂聚积在槽120的底部和各环块112A的内端面之间。这样，环块112A能直接与槽120的底部接触，由此能避免后面提到的环块112A的厚度起伏，不然，在将环块112A粘结成密封环112之后，将会出现这种厚度起伏。
关于制造密封环组件101的方法，将参照图5A-5E和图6，以举例的方式加以说明。
具有图5A中双点划线所示结构的环块112A，被从板块131上切下。当板块是由纤维加强的塑料或石墨制成时，可容易地从板块上切下环块112A。从板块上切下的环块112A具有图5B所示的形状，然后按照图5C-5D所示的步骤将各环块加工、组装，以制成完整的密封环组件。当环块112A是由陶瓷材料制成时，将原料以一种已知的方式制成板块131，即在常温下采用液压机的方法制作，然后对板块131进行机械加工，以制成图5B所示的环块112A。此后，在图5C所示步骤中进行无压烧结，由此获得超硬的环块112A。在图5D所示的下一步骤中，将每个环块112A放置在环套117中，使其一个端面装在成形在环套117中的槽120内。槽120的径向宽度比环块112A的径向宽度大h1+h2，因此所有环块112A能被放置在槽120中，而与这些环块径向宽度上任何微小的起伏无关。将会看到，径向宽度的精度要求不是非常严格的。图5E示出了粘结步骤，其中放置在槽120中的环块112A通过粘结固定在槽120中。这种粘结是将粘结剂124注入间隙h1和h2而实现的。当粘结剂在一定的凝固时间内凝固时，环块112A被固定在环套117中。
关于环块的尺寸精度，当其轴向尺寸精度不象其径向尺寸精度那么高时，在多个环块112A中必然要出现轴向厚度上的起伏，因此在相邻环块112A间形成一个高度为△t的台阶。图6以稍微夸张的方式示出环块112A在高度上是不相同的。可以看出，在相邻的环块112A之间分别形成台阶或高度差△t1、△t2和△t3。这种高度差在密封环112的端面上呈现出台阶。然而，根据本发明，可通过对密封环的端面进行机械精整而消除这些台阶，由此使密封环组件具有基本上平滑的，且在周向为连续的平滑端面113。可以理解，这种机械加工是由于所有环块112A都牢固地装在环套117的槽120中才得以实现的。或者，密封环的平滑的、连续的端面也可以下列方式获得：将所有环块112A放置在平整的表面上，对它们进行机械加工使所有环块112A都具有相同的高度，然后如图5D所示，将加工后的环块112A放置在环套117的槽120中。显然，如果板块131已受过精整加工而在厚度上非常均匀，能确保从上切下的所有环块112A都极为一致，从而使环块112A在组装后的状态下提供平滑且周向连续的密封环端面113，那么就不必对环块112A的端面112A-4再进行加工。
在工作中，密封环夹持件10由销钉24导向，在转轴1的轴向运动，并由螺旋弹簧8朝法兰6弹性地偏置。结果是，固定在密封环夹持件10下端的密封环组件101中的密封环112，以和法兰6的座面21流体密封接触且可滑动的方式被夹持。同时，密封环夹持件10的外周面上的密封圈14与密封壳102的盖部11的内周面可滑动地流体密封接触，由此防止流体通过叶轮3的壳2和转轴1间的缝隙（如图9所示）泄漏。
图7表示了具有上述结构的密封环组件101的一种变型101A。在图7中，相同的标号用于指示与图3中相同的部件或零件。变型的密封环组件101A有一个由环形件117B和侧壁件117C构成的环套117D，环形件117B在包含组件101A轴线的平面内呈现一个倒L形的横截面，侧壁件117C由多个螺栓139紧固到环形件117B上，以便当两零件117C和117B组装起来时在其间限定一个环形槽120B。侧壁件117C径向内侧的壁面129的轴向外侧部分径向向内倾斜，如129′所示。密封环112′的每个环块112B部分地装在槽120B中，并沿轴向部分地伸出槽120B，每个环块都有个径向外侧表面130，表面130与壁面129的轴向外侧部分129′的倾斜度一致地倾斜。正如前述的实施例101一样，密封环组件101A也是由螺钉（未示出）可拆卸地紧固在密封环夹持件10的下侧。
图7所示的变型的另一个优点是，可将密封环112′的环块112B更加牢固地保持在槽120B中。
在所述的实施例和变型中，基本上为环形的座面21是由第一部件提供的，第一部件是随转轴1一同转动的法兰6，并且密封环组件101或101A是由构成第二部件10的密封环夹持件10可拆卸地夹持。不过，对于本领域的普通技术人员来说，显然可以将密封环组件101或101A固定到第一部件6上，而使第二部件10提供座面21。
图8示出了根据本发明的轴封的另一个实施例。此轴封由标号100A总体指示，它具有第一密封环组件101，该组件与第一实施例一样固定在密封环夹持器10上。此外，基本上与第一密封环组件101结构相同的第二密封环组件101B，可拆卸地固定到法兰6的端面21C上。两密封环组件101和101B的密封环112和112C，彼此以滑动接触的方式夹持在一起，从而避免流体泄漏。第二密封环组件101B的密封环112C和第一密封环组件101的密封环112可由同种材料制成。
在图8所示的实施例中，密封环112和112C的径向宽度是不同的，这样即使当水力机械的转轴1发生振摆时，也能确保流体密封的紧密度。也就是说，宽度较小的密封环112总能以其整个轴向端面与宽度较大的密封环112C的相对的端面滑动接触，而不受水力机械转轴1的振摆的影响。如果密封环112和112C由不同材料制作时，最好用较软的材料制作宽度较小的密封环112。
当密封环112由陶瓷材料制成时，必须用硬度相似的材料制成与密封环112接触的密封面。图8所示结构的优点是，不必将整个法兰6用一般不太抗冲击的陶瓷材料制造。