本发明涉及限制沿穿过诸如涡轮机或压缩机壳体的轴周围的流体漏的密封装置，尤其涉及到高压燃气的密封装置。 在本发明之前，密封诸如超过1200磅/吋2表压的高压氢气的各种气体的机械式密封装置，都属于一种采用二间隔端面的机械式密封装置。该系统属于“湿”接触式的，它必须由二间隔机械式密封装置之间被泵送的缓冲器液体来冷却和润滑。用于循环缓冲器液体（频繁地润滑）的系统包括各种泵、冷却器和储贮器，这就增加了结构的复杂性和费用。此外，各种机械式密封装置，即使具有复杂的支承系统，工作时间也很短。为了更换密封装置，该系统须要完全关闭。
机械式端面干工作气体密封装置可在无润滑情况下工作。在颁发给Josef Sedy的并转让给现在的受让人的美国专利US-4，212，475中，表示和叙述了该密封装置，在这里是作为对比文件而引入的。
另一种密封装置采用美国专利US-4，212，475的学说创制一种在高压下输送诸如液化轻碳氢化合物的液体的设备中的密封装置。该型密封装置形成了对处于具有US-4，212，475中所述的螺旋沟槽地这类密封组件的密封面间的被密封流体进行切剪加热。
本发明的一个目的是要提供一种干气体端面密封装置，它特别适用于在例如超过1800磅/吋2表压的极高压力下输送各种轻气体的设备中，并且通过降低或分隔跨在二个或多个该种密封装置的压力来实现，而无须外部压力控制装置。由本发明人在这里所提出的解决方案是一连串各具一对密封面的组件，其中的一个密封面为螺旋沟槽型，横跨于其间有一可推算（计算）比例的压力降，它是通过改变每一组件中的密封面的几何参数（即沟槽尺寸）而获得的。因此，例如横跨在二个或多个分离组件上的压力降可被分配成大致相等比例，从而在无须外部控制器的情况下减轻了密封应力或过载。
本发明的另一目的是使压力下降或分隔，能简单地通过采用仅沟槽深度或密封坝宽度尺寸不同而断面大体相同的螺旋槽密封环很容易和廉价地来实现，问题只是蚀刻一些相似断面环来提供连续的压降级。可以有少至二个组件，可以有一前一后的三个，四个或甚至五个。
本发明针对特别适用于运输极高压力气体的压缩机的端面机械式密封系统。这是通过采用一种最好具有分别装于轴上及与压缩机或泵相关的壳体上的一个高压上游组件和一个中间组件及一个下游组件的密封装置来实现的。然而，本发明的原理可被引用到仅有二个组件的端面密封装置。每一密封组件具有一个固定于壳体上的主环和另一固定于轴上的配合环。这些环具有相反的径向延伸面，其中一个具有若干径向指向的、自其某一园周延伸的沿园周间隔的螺旋泵送沟槽。按照槽尺寸观点来看，暴露于最高压力的上游组件的沟槽有一予定的槽节流认为是最好的，而各下游组件的槽的尺寸大于上游组件的槽尺寸，因而收到较小节流效果。
在一种优选的结构形式中，通过添加下游组件的槽深度来实现减少节流。
图1是体现本发明的一个优选实施例的壳体和轴的轴向剖视图;
图2是本发明优选实施例的其中一个密封环的部分侧视图。
图1表示一个按本发明优选实施例制造的密封装置，以数字10来总体表示。该密封装置是用来密封在泵、压缩机或透平壳体中极高压力下的气体，例如超过约1800磅/吋2的氢气。虽然本发明在提到氢气时不时地被说成是液体，然而应当明瞭，通过适当改变和调节该系统来满足密封流体的基本参数也能输送极高压力下的其它气体或液体。
以12表示填料箱或壳体，它包围这些密封装置并提供轴通道14。轴16自壳体12内的高压腔18经轴通道伸到以19表示的大气中。
壳体内的密封装置组件是一种螺旋槽型轴向间隔机械式端面密封装置的串联结构，各自具有分别固定于壳体12和轴16的置对的环部。这些密封装置大体为在上面提到的US-4，213，475中所表示和叙述的那种。这些串联密封装置组件包括一个处于高压腔18内的上游或内密封组件20，至少一个中间密封组件22，并最好包括第三个下游或外密封组件24，后二者分别处于壳体内的环室21和23内。
每一密封装置组件有一对圆形环，包括具有径向延伸面28A、28B、28C的固定主环26A、26B、26C（环定子）。该主密封环元件和具有分别跟各主环的各面28A、28B、28C相对的径向延伸面32A、32B、32C的配合环30A、30B、30C相对置。为阻止转动，各主环26A、26B、26C如将要叙述那样，借助于保持器组件均固定在壳体上，与此同时允许有限的轴向移动。配合密封环30A、30B、30C为了和轴16一起转动借助于一隔套组件固定，隔套组件包括一环套33和用键固定于轴上的一轴套34，如将要叙述的，实际上固定于轴16上以便与轴一起转动。
所示密封装置在密封部件的径向外径处暴露于要被密封的流体。然而，本发明的原理也适用于在相对转动密封面的径向内径处具有高压的密封装置。
所述套组件，如所提到的那样，包括一个装于轴16上的轴套34，并通过用螺钉36固定于轴套34上的一紧固端板35固定于轴上。也可以采用一传动键装置（未示出）来把轴套34固定到轴16上。在内侧或上游端，O型环37构成了套33和34间的密封。有一些无须精心制作的附加O型密封装置。
图1中和高压腔18连通的上游或高压密封组件20包括一环形支承突缘38，它是套33的一个整体部分。为了旋转驱动销40将环30A连接于突缘38。
套组件还包括用键固定于套33以便转动的一些隔套48。隔套具有支承突缘50和保持销46，保持销46分别和中间及外侧密封组件22、24的配合环30B、30C相啮合，并将它们驱动。O型环44配置于各支承突缘50和旋转密封环30B、30C之间。隔套48延伸到接近配合环30A、30B内径的径向表面32A、32B并和它们接触。
另一种方法可采用一个包括环形分离斜铁的装置，斜铁又被一紧固环保持，如在前面提到的美国专利申请No.060，215中所表示和叙述的那样。用于将各密封组件的旋转环固定到轴16上的实际结构对于本发明的实践并非具有决定性的重要意义。
如上提到的，套34用一驱动板35被固定在轴16上，以便和其一起转动。环套33在其内端或上游端顶靠在轴套34上的径向凸出的突缘52上。环套33在其外侧端具有一个同心安装于其上的锁定轴环。锁定轴环的内端顶靠在配合环30C的径向向外的对置园周面上。锁定轴环53的外端具有一个凸出部或突缘53H，它用螺钉53B固定于环套33的端面上。借助于拧紧螺钉53B，各组配合环和隔套被固定在适当位置上。借助于拧紧螺钉36迫使套33轴向向内沿套34进入与突缘52的锁定接触。这样，当套34转动时，特殊的锁与键和有关的突缘支承50一起为配合环30A、30B和30C提供驱动，与它们一起旋转。
密封装置主环保持器组件包括内侧，中间和外侧的保持器54、55和56，它们用内六角螺钉57或相反用任何适当的形式相互连接。内侧保持器54用于支承内侧主环26A。中间保持器55支承中间主环26B，外侧保持器56同样地支承外侧主环26C。每一保持器装有多重弹簧58和一弹簧盘60，它们共同使主密封环面和各配合环开槽而进入啮合。盘60和弹簧58允许主环26A、26B和26C沿二个方向轴向移动。O型密封装置61在各主环和保持器54、55、56之间构成第二密封。
一压盖板62用螺钉（未示出）连接于壳体12。压盖板有一突缘64，和保持器56的外端面相接触。保持器用内六角螺钉66连接于该突缘上。
下面将详细叙述在降低压力情况下的气体转移，但这里可提一下，通气口68使腔23和暴露于大气的壳体中的通道70连通，使自腔23逸出的气体能被转移到喇叭形排气管或其它收集、利用或分配泄出气体的场合。此外，下游密封组件24用于密封少量可能自腔23漏的气体;但由于腔23内的气体是低压，经密封组件24的漏量通常会忽略不计。这样，经该密封组件的坝转移的气体量是很小的（不能收集），而内径处的最终压力可接近于零。在此意义上，第三密封装置可用作一种安全措施，例如万一通气受阻。通气腔23经通气通道68-70的优点是促使组件24下游的轴周围的不可收集的漏气最少。
应当指出，保持器54和55在内径及倾斜的径向表面和突缘支承50的相对表面是隔开的，从而为经组件20的坝进入腔21的气体漏流（被泵送的）以及为经密封组件22的坝进入腔23的气体漏流（被泵送的）提供转移通道21P和23P。通至腔21的通道72可装备一压力计，它被连接得能读出腔21中的压力。
配合环30A、30B、30C各有一系列螺旋沟槽92，（如图1中虚线所示），现在参照图2详细讨论它。因此图2表示了在和主环相对的配合环上的配合表面的一部分。为了叙述，配合环30A的面32A表示在图2中。该面具有多个沿园周间隔的螺旋槽92，从外园周处的开口端径向延伸，部分横穿过面32A的径向宽度。未开槽表面94形成一个密封坝或台阶。在轴16不转动时，它协同主密封环的相对面构成了静力学的静力密封。密封组件22和24的面32B和32C做成和槽92及台阶94相似的形状以形成泵送槽。
当轴16不转时，压力气体由处于密封坝处的环之间的流体静力学薄膜所密封。当轴开始转动时，槽92泵送气体径向向内横穿过该密封面，导致密封面轻微张开。
随着气体横穿过密封组件20的坝被转移到通道21P，它进入腔21，并且密封装置的工作参数使压力从腔18内的例如大约1800磅/吋2表压，下降到腔21内的大约全压，该压力的1/2，即约900磅/吋2表压，开启密封组件。这实际上是瞬时压降，因为该瞬时，组件20上的上游密封装置克服相关弹簧58的关闭偏压而开启，在同一瞬间，气体经通道21P被转移到腔21;密封组件22也瞬时开启，气体压力瞬时被等分，在高压上游腔18内减轻了该高压。应当记住，在该组件的实际压力下，横穿过第二密封装置的坝的被泵送的实际流体量（漏）大于第一密封装置的，横穿过各密封装置界面的质量流量率在所有时间是不变的。
中间密封装置22本身进一步形成了跨在相对旋转密封面的压降，自大约全压的1/2下降到稍微高于大气压力。最好腔23的压力和大气压力比是大约9至15磅/吋2表示这是由于暴露于大气压力的通气通道68-70而引起的节流的结果。事实上，若采用的话，第三密封装置可能仅仅作为小容量的漏气收集器。如上所述，该气体经通道气孔68泄出，以便按这样或那样的方式排出。
不能指望密封装置总是按照设计极限来使用而无一些变化，这些变化是由于和机械的与热的不平衡的可能性关联的工作苛刻而引起的，不可能予测或予料的。因此，第三密封装置可多余地使用，如果在工作期间压力分布有变化，作为上游密封装置任一个的备份，对横跨于三个密封面的压降会有自调节的调节机能。不管是否有串联的二个或三个密封装置，没有一个密封装置承受全压力负载，并且在远低于其设计能力的压力范围内工作。
上述系统对目前已知的密封系统提供了许多极好的特性和优点。首先，目前已知的具有相同几何形状（内径、外径和厚度）的机械式螺旋槽型端面密封装置通过改变沟槽结构参数，诸如槽深和坝宽可被采用来共同密封比迄今可能的压力大得多的压力，大大提高了在高压端的密封装置的完整性。这导致了气体漏损失大为降低。具体地说，在实际应用的优选结构里，跨在各螺旋槽型密封组件上的压力均分能借助于这种部件来达到，这种部件仅通过蚀刻这些槽能从目前已知的结构改变到不同的深度。
相比之下，对于另外种类的机械式端面密封装置来说，试图实现所含高压（例如1800磅/吋2表压）的压力均分将要求有外部控制器，相当的结构改变，以及添加补偿元件，这里因为包含着大的压差。和在本发明中所采用的以便利用内径处的漏气现象的螺旋槽型端面密封装置相比，将要求更大的尺寸，尺寸愈大，不平衡的几率愈大，有更多的区域经受磨损，等等。
该系统其它的特征是具有密封比迄今为止能有的压力高得多的气体的能力，而无须采用复杂的精致的外部压力控制系统和大量的密封装置几何参数。
设想腔18内的压力为1800磅/吋2表压及轴转速为10000转/分，这些特性就很容易被觉察的。若在第一密封组件上的螺旋槽深度是200微吋，并且在第二密封组件上这一深度参数添加到400微吋，那么跨在第一密封装置上的压降约减少50%到900磅/吋2表压，从而减轻第一密封装置相当的应力。就大多数应用场合来说，这50%减少是足够的。然而，当存在第三密封装置时，按照同样的方式，在该密封装置的配合环内的螺旋槽在第二密封装置的相对转动面间产生了进一步的压力降，而这一降低实际上可导致腔23内的压力为零。
坝宽度的变化能代替或补充槽深度参数的差异。可以有这样的情况，其中二上游密封装置（如密封组件20和22）大体上分别处于全压力下，而第三密封组件变成承担压力均分的密封组件。可采用多种述语和推断来解释当均分压力时，在密封面上所牵涉到的现象。所采用的原理是没有一个密封装置是完美的，而我们通过采用一对（至少）串联的螺旋槽型端面密封装置来利用那个事实，因此仅通过改变沟槽尺寸就能利用漏气，无须改变这种密封装置存货的任何其它几何参数。
被看作一质量（磅/分）的穿过每一密封装置的总漏气量，对各密封装置是相同的。由于下游密封装置螺旋槽比上游密封装置的螺旋槽具有较大的容积，在较大槽容积内气体具有更多的膨胀空间，因此密度（占据较大实际容积）较经上游密封装置沟槽转移到那里的气体为小。所以当它方便地指不同容积（或泵送容积）为单位时间内（及在任何瞬间）经各自的密封界面被泵道的容积时，要记住经各密封装置的质量流量率在所有时间里是相同的。
另一种或者更易于叙述的是密封装置可被看成是限流器（阀），其中具有较深螺旋槽（在优选结构中）的下游密封装置比在高压下的上游密封装置给予气流更少的节流，因此，如在打开普通水管的喷嘴阀时那样，压力必然下降：当喷嘴节流少时，水流量率和以前一样，但由于喷嘴通道已被扩大，现在流体流在降低的压力下流出，和在喷嘴节流较多时经常发生的达到较长距离的较有力（较大压力）的水流相比，覆盖较多的面积，但力量较小。
尽管已表示和叙述了本发明的一种优选结构形式，应当体会到可以对其作出种种变换而不越出下列权利要求书的范围。