一種多級預旋的微型螺旋泵及其工作流程的製作方法

2023-05-26 04:49:36 6

本發明屬於流體機械技術領域，涉及一種低噪聲、多級預旋的微小型螺旋泵，特別涉及一種管道內壁有內置預旋凹槽和葉輪進口端有導流螺旋葉片的多級預旋的微型螺旋泵及其工作流程。

背景技術：

泵是一種應用非常廣泛的通用機械，在人類的生產、生活中發揮著巨大的作用，不同種類及各種尺寸的泵也隨著新的應用需要而不斷地被製造並應用於各個行業之中。按照特徵尺度的不同，大體上可以將泵分為以下幾類：常規泵、微小型泵及微型泵。其中微小型泵的特徵尺度範圍大致為1～50mm，而微型泵與常規泵的特徵長度分別為1mm以下及50mm以上。

微小型泵因其特殊的尺寸範圍顯現出其良好的應用前景，如電子設備的冷卻系統、燃料電池的溫度控制系統以及現在應用最廣泛的醫療設備等。其中，醫療設備中的心臟輔助裝置是應用機械或生物手段部分或完全替代心臟的泵機能，維持全身良好的血液循環狀況的治療方法。早期的輔助裝置多為仿生式的隔膜式血泵。進入90年代後，國外很多研究中心紛紛轉向微型葉輪式(特別是軸流式)血泵的研究，形成目前該領域的主流。

目前，微型血泵在臨床應用時主要是離心泵和軸流泵兩種。據臨床實驗和動物實驗觀察，離心泵和軸流泵的工作效果有以下的問題：血泵對於人體的生理輔助要求：對於血泵的驅動轉速一般離心泵較小，n＝4000～10000轉/分鐘；軸流泵較大，n＝10000轉/分鐘以上，例如hemopump的轉速可以達到n＝26000轉/分鐘。

血液泵中血細胞在受到高剪切力時易破裂，高轉速帶來了微型螺旋泵內部流動的複雜性。由於螺旋泵自身的結構特點，會造成流動中靠近螺旋泵葉輪的流體形成較大的渦核結構，加劇了流動不穩定性，進一步的導致渦核部分的血細胞收到了極大的剪切力。渦核區域的存在是加劇流動不穩定性的因素，也是引起血細胞輸運過程中破損的主要原因。

對於傳統設計中，由於往常螺旋泵葉片是由螺旋線延展形成，轉軸相切平滑，導致流體與螺旋葉片形成了較大的攻角，高速流動的流體直接衝擊到螺旋葉片的壓力面，進一步導致了在螺旋葉片的上有較大的壓力梯度，造成在螺旋葉片的壓力面上流動不穩定。在螺旋葉片的前緣和螺旋葉片的葉頂間隙處有密集的小尺度渦結構產生，葉頂間隙渦結構的存在是造成螺旋泵內部流動不穩定的主要因素。在高速旋轉的螺旋泵中，葉頂間隙的大尺寸渦結構會破碎成小尺寸渦結構，渦破碎產生噪聲並加劇了微型泵內部流動複雜性。

綜上所述，對於高轉速的螺旋泵，設計優化一種高效、內部流動渦核強度低、螺旋葉片壓力面壓力梯度小和葉頂間隙渦結構強度小的微小型螺旋血液泵極其重要。

技術實現要素：

本發明的目的是針對高速旋轉的螺旋泵存在的螺旋泵葉輪前端存在大尺寸渦核問題以及螺旋泵葉片與輸運液體進口角較大，易造成局部渦流和加劇流動不穩定等問題，提供一種管道內壁有內置預旋凹槽和葉輪進口端有導流螺旋葉片的多級預旋的微型螺旋泵及其工作流程。

本發明一種多級預旋的微型螺旋泵，包括螺旋泵套筒、螺旋葉輪、螺旋導葉和螺旋泵轉軸；所述的螺旋泵套筒、螺旋葉輪和螺旋泵轉軸同軸；螺旋泵套筒內壁開設有圓柱螺旋形凹槽，圓柱螺旋形凹槽、螺旋葉輪和螺旋泵轉軸沿螺旋泵套筒進口端至出口端方向依次排布；螺旋葉輪的輪轂靠近圓柱螺旋形凹槽一端設置兩片螺旋導葉，輪轂另一端與螺旋泵轉軸固定。

所述的螺旋葉輪設有兩片圓柱形螺旋葉片；兩片圓柱形螺旋葉片形成的雙螺旋線螺距h1為螺旋泵套筒內徑的0.2～0.3，圓柱螺旋形凹槽與螺旋葉輪的間距l0＝h1；圓柱螺旋形凹槽的雙螺旋線螺距為h2，h2取值為1.2h1～1.5h1；圓柱螺旋形凹槽的兩根螺旋線圈數相等；圓柱螺旋形凹槽的兩根螺旋線起點在螺旋泵套筒周向上相差180°，在螺旋泵套筒軸向上位置相同。圓柱螺旋形凹槽的截面為倒置的等腰梯形。

所述的圓柱螺旋形凹槽與圓柱形螺旋葉片和螺旋導葉的旋向均相同；螺旋導葉的螺旋線終點與圓柱形螺旋葉片的螺旋線起點在螺旋葉輪軸向上的距離取值為0.2～0.3h1。兩片螺旋導葉的螺旋線起點在螺旋葉輪周向上相差180°，兩片圓柱形螺旋葉片的螺旋線起點在螺旋葉輪周向上也相差180°；兩片圓柱形螺旋葉片的螺旋線圈數相等；兩片螺旋導葉的螺旋線起點連線位於兩片圓柱形螺旋葉片的螺旋線起點連線沿圓柱形螺旋葉片螺旋線旋向反向偏轉θ角位置處，θ＝30°。

所述螺旋導葉的螺旋線為圓錐螺旋線，兩片螺旋導葉的圓錐螺旋線錐角相等，螺旋導葉的圓錐螺旋線錐角取60°～70°；兩片螺旋導葉的螺旋線圈數相等，兩片螺旋導葉形成的雙螺旋線螺距取值為0.5～0.7h1，螺旋導葉的前緣與螺旋葉輪的輪轂側表面相切。

所述螺旋導葉的壓力面葉頂處設有凸起；凸起最高點和螺旋導葉壓力面的垂直距離取值為0.3d1～0.5d1，d1為導葉厚度；螺旋導葉各橫截面上，沿徑向方向，凸起最高點至螺旋導葉葉根的距離l4為螺旋導葉的葉頂高度l3的90％～95％；螺旋導葉的螺旋線終點處的l3為圓柱形螺旋葉片的螺旋線起點處葉頂高度的5％～10％；凸起兩側與螺旋導葉壓力面之間均通過圓弧面光滑過渡。

所述的螺旋泵轉軸由電機驅動。

所述圓柱螺旋形凹槽的兩根螺旋線圈數均為2～4圈；圓柱形螺旋葉片的螺旋線圈數為1～4圈；螺旋導葉的螺旋線圈數為1～4圈。

所述等腰梯形的高度為螺旋泵套筒內徑的0.03～0.05，梯形下底與腰的夾角取值為50°～60°。

該多級預旋的微型螺旋泵的工作流程如下：

螺旋泵轉軸由電機驅動，從而帶動螺旋葉輪轉動。流體由螺旋泵套筒的進口端進入，通過螺旋泵套筒內壁的圓柱螺旋形凹槽時，靠近螺旋泵套筒內壁的流體沿著圓柱螺旋形凹槽流動，使得流體在進入圓柱形螺旋葉片之前形成貼緊螺旋泵套筒內壁的運動預旋，從而降低螺旋泵套筒進口端軸線處的渦流強度，使得螺旋泵套筒進口端內壁處和軸線處的渦流強度變均勻。經圓柱螺旋形凹槽預旋後的流體進入螺旋導葉，由於螺旋導葉與螺旋葉輪的圓柱形螺旋葉片的螺旋線螺距不相等，且螺旋導葉的壓力面葉頂處有圓弧面光滑過渡的凸起，對螺旋葉輪起引流導流作用，減弱流體對圓柱形螺旋葉片的衝擊，降低圓柱形螺旋葉片壓力面的壓力梯度，減弱圓柱形螺旋葉片前緣的小尺度渦流現象；且螺旋導葉上的凸起使螺旋導葉上的流體導向圓柱形螺旋葉片的葉根處，通過對圓柱形螺旋葉片入流端流體的流向控制，減弱靠近螺旋泵套筒進口端的圓柱形螺旋葉片葉頂間隙處的流動不穩定狀況，對圓柱形螺旋葉片前緣和圓柱形螺旋葉片間隙的渦流起到減弱作用，進而減弱葉輪入流端和靠近螺旋泵套筒進口端的圓柱形螺旋葉片葉頂間隙處的渦流噪聲。

本發明的有益效果：

本發明通過在螺旋泵套筒的進口端設置圓柱螺旋形凹槽，靠近螺旋泵套筒內壁的血液會沿著圓柱螺旋形凹槽流動，使得輸運血液在進入圓柱形螺旋葉片之前形成貼緊螺旋泵套筒內壁的運動預旋。螺旋葉片高速旋轉造成的位於螺旋泵套筒進口端軸線附近的渦量的密集區是不可避免的，圓柱螺旋形凹槽引發的貼緊螺旋泵套筒內壁的運動預旋能夠緩解螺旋泵套筒進口端的渦流強度，使得螺旋泵套筒進口端內壁存在較為均勻的渦流強度，整體上降低了在螺旋泵套筒進口端的渦流強度，改善輸運流體(血液)的輸運狀況。

本發明在葉輪進口端設置螺旋導葉，螺旋導葉與螺旋葉輪的圓柱形螺旋葉片的螺旋線螺距不同，螺旋導葉的截面為壓力面葉頂處有圓弧面光滑過渡的凸起，能夠針對高速旋轉的螺旋葉輪起到引流導流作用，對於螺旋葉輪，尤其是靠近螺旋泵套筒進口端的圓柱形螺旋葉片壓力面上存在較大的壓力梯度，圓柱形螺旋葉片的前緣還存在小尺度渦流的現象，能夠減弱高速旋轉的流體對圓柱形螺旋葉片的衝擊，降低圓柱形螺旋葉片壓力面的壓力梯度；螺旋導葉上的凸起使螺旋導葉上的流體更多地流向圓柱形螺旋葉片的葉根處，通過對圓柱形螺旋葉片入流端流體的流向控制，能夠減弱靠近螺旋泵套筒進口端的圓柱形螺旋葉片葉頂間隙處的流動不穩定狀況，對於圓柱形螺旋葉片前緣和圓柱形螺旋葉片間隙的渦流起到減弱作用，同時也可以減弱葉輪入流端和靠近螺旋泵套筒進口端的圓柱形螺旋葉片葉頂間隙處的渦流噪聲。

附圖說明

圖1為本發明的局部剖視立體圖；

圖2為本發明的半剖示意圖；

圖3為本發明的螺旋葉輪和螺旋導葉的結構立體圖；

圖4為本發明的螺旋葉輪的圓柱形螺旋葉片和螺旋導葉的安裝位置示意圖；

圖5為本發明中螺旋導葉的圓錐螺旋線示意圖；

圖6為本發明的螺旋導葉截面示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。

設計思路：對於高轉速的螺旋泵，要想設計優化出一種高效、內部流動渦核強度低、螺旋葉片壓力面壓力梯度小和葉頂間隙渦結構強度小的微小型螺旋血液泵，就是要弱化高速旋轉的螺旋葉片形成的渦核結構，尤其是弱化高速葉輪進口前端的渦核強度，並針對螺旋葉片壓力面壓力梯度大，葉頂間隙存在大尺寸的渦結構問題對螺旋泵進行優化。

如圖1所示，一種多級預旋的微型螺旋泵，包括螺旋泵套筒1、螺旋葉輪3、螺旋導葉4和螺旋泵轉軸5；螺旋泵套筒1、螺旋葉輪3和螺旋泵轉軸5同軸；螺旋泵套筒1內壁開設有圓柱螺旋形凹槽2，圓柱螺旋形凹槽2、螺旋葉輪3和螺旋泵轉軸5沿螺旋泵套筒1進口端至出口端方向依次排布；螺旋葉輪3的輪轂靠近圓柱螺旋形凹槽2一端設置兩片螺旋導葉4，輪轂另一端與螺旋泵轉軸5固定。螺旋泵轉軸5由電機驅動，從而帶動螺旋葉輪高速轉動。

如圖2、3和4所示，設螺旋葉輪3寬度為l1，螺旋葉輪設有兩片圓柱形螺旋葉片；兩片圓柱形螺旋葉片形成的雙螺旋線螺距h1為螺旋泵套筒1內徑d0的0.2～0.3，圓柱螺旋形凹槽2與螺旋葉輪3的間距l0＝h1；圓柱螺旋形凹槽的雙螺旋線螺距為h2，h2取值為1.2h1～1.5h1；圓柱螺旋形凹槽的兩根螺旋線圈數相等，均為2～4圈；圓柱螺旋形凹槽的兩根螺旋線起點在螺旋泵套筒1周向上相差180°，在螺旋泵套筒1軸向上位置相同。圓柱螺旋形凹槽的截面為倒置的等腰梯形，等腰梯形的高度為螺旋泵套筒1內徑d0的0.03～0.05，梯形下底與腰的夾角取值為50°～60°。

圓柱螺旋形凹槽與圓柱形螺旋葉片和螺旋導葉4的旋向均相同；螺旋導葉4的螺旋線終點與圓柱形螺旋葉片的螺旋線起點在螺旋葉輪軸向上的距離l2取值為0.2～0.3h1。兩片螺旋導葉的螺旋線起點在螺旋葉輪周向上相差180°，兩片圓柱形螺旋葉片的螺旋線起點在螺旋葉輪周向上也相差180°；兩片圓柱形螺旋葉片的螺旋線圈數相等，均為1～4圈；兩片螺旋導葉4的螺旋線起點連線位於兩片圓柱形螺旋葉片的螺旋線起點連線沿圓柱形螺旋葉片螺旋線旋向反向偏轉θ角位置處，θ＝30°。

如圖3、4和5所示，螺旋導葉的螺旋線為圓錐螺旋線，兩片螺旋導葉的圓錐螺旋線錐角相等，錐角選取與輪轂頭部形狀有關，在本發明中螺旋導葉的圓錐螺旋線錐角φ取60°～70°；兩片螺旋導葉的螺旋線圈數相等，均為1～4圈，兩片螺旋導葉形成的雙螺旋線螺距h3取值為0.5～0.7h1，螺旋導葉的前緣與螺旋葉輪3的輪轂側表面相切。

如圖6所示，螺旋導葉的壓力面葉頂處設有凸起，能夠針對高速旋轉的螺旋葉輪起到引流導流作用。凸起最高點和螺旋導葉壓力面的垂直距離d2取值為0.3d1～0.5d1，d1為導葉厚度；螺旋導葉各橫截面上，沿徑向方向，凸起最高點至螺旋導葉葉根的距離l4為螺旋導葉的葉頂高度l3的90％～95％，可見，l4是隨l3變化而變化的；螺旋導葉的螺旋線終點處的l3為圓柱形螺旋葉片的螺旋線起點處葉頂高度的5％～10％；凸起兩側與螺旋導葉壓力面之間均通過圓弧面光滑過渡。

該多級預旋的微型螺旋泵的工作流程如下：

螺旋泵轉軸5由電機驅動，從而帶動螺旋葉輪轉動。流體由螺旋泵套筒的進口端進入，通過螺旋泵套筒內壁的圓柱螺旋形凹槽時，靠近螺旋泵套筒內壁的流體會沿著圓柱螺旋形凹槽流動，使得流體在進入圓柱形螺旋葉片之前形成貼緊螺旋泵套筒內壁的運動預旋，從而降低螺旋泵套筒進口端軸線處的渦流強度，使得螺旋泵套筒進口端內壁處和軸線處的渦流強度變均勻。經圓柱螺旋形凹槽預旋後的流體進入螺旋導葉，由於螺旋導葉與螺旋葉輪的圓柱形螺旋葉片的螺旋線螺距不相等，且螺旋導葉的壓力面葉頂處有圓弧面光滑過渡的凸起，能對螺旋葉輪起引流導流作用，減弱流體對圓柱形螺旋葉片的衝擊，降低圓柱形螺旋葉片壓力面的壓力梯度，減弱圓柱形螺旋葉片前緣的小尺度渦流現象；且螺旋導葉上的凸起使螺旋導葉上的流體導向圓柱形螺旋葉片的葉根處，通過對圓柱形螺旋葉片入流端流體的流向控制，減弱靠近螺旋泵套筒進口端的圓柱形螺旋葉片葉頂間隙處的流動不穩定狀況，對圓柱形螺旋葉片前緣和圓柱形螺旋葉片間隙的渦流起到減弱作用，進而減弱葉輪入流端和靠近螺旋泵套筒進口端的圓柱形螺旋葉片葉頂間隙處的渦流噪聲。