一種防血細胞損壞的微型離心血液泵及其循環供血方法與流程
2023-05-18 20:37:07 1
本發明屬於微型泵技術領域，涉及一種高效、低噪聲、對血細胞低損壞的微型離心血液泵，特別涉及葉片前緣有圓滑凹點以及葉輪前後輪轂有小翼的微型離心血液泵及其循環供血方法。
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。
微型泵的發展始於上世紀70年代，伴隨著「微電子機械系統」與「微流動系統」的發展，微型泵的研究得以推動。作為微流動系統重要的執行器件，微型泵被廣泛應用於液氣微量配給、流動控制、化學分析、環境監測、微量注入和藥物傳送、集成電路的微冷卻、微小型衛星的推進等方面。微小型泵因其特殊的尺寸範圍顯現出其良好的應用前景，如微小型電機和包含計算機cpu在內的電子設備的冷卻系統、管道泵、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。
考慮到血液有較大的粘性和血液運輸中血細胞易破裂的特性，如何設計出流動剪切力低、內部流動穩定的微型離心泵至關重要。但是除了輸送液體的特殊性外，微型離心泵中流動非常複雜，主要體現在：1)流動的三維性；2)流體的粘性；3)流動的非定常性。因為輸運血液在粘性和輸運要求的特殊性，粘性不僅僅影響到葉片出口邊為滿足庫塔-茹科夫斯基條件而形成的葉片尾跡旋渦。由於粘性，葉片表面以及環壁通道表面均會存在粘性邊界層，它們之間以及與主流之間有強烈的相互作用，產生所謂的「二次流」現象。二次流動是微型離心泵損失上升、效率下降的主要根源。同時，二次流和渦破裂是離心泵中產生噪聲的主要來源。
綜上所述，要想設計優化出一種高效、低噪聲、對血細胞低損壞的微型離心血液泵，就是要控制和減小二次流動、控制和減小邊界層厚度、防止渦脫落、或是控制渦的形成。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術無法很好控制微型血液離心泵中的邊界層厚度、二次流和渦流噪聲的問題，提供葉片前緣有圓滑凹點以及葉輪前後輪轂有小翼的微型離心血液泵及其循環供血方法，圓滑凹點減弱在葉輪前緣的壁面剪應力分布，控制徑向運動的二次流，控制葉片表面邊界層厚度；對存在較大流動不穩定性的葉輪流道的出口處加小翼，可以改善葉輪處的流動狀況，抑制葉道出口處的渦結構產生，減弱了葉片尾跡引起的渦流噪聲；通過對微型離心泵葉輪部分不同位置的改進使該型離心泵流動剪切應力更低，運行效率更高，噪聲更低。
本發明一種防血細胞損壞的微型離心血液泵，包括前端蓋、後端蓋和葉輪；葉輪與前端蓋、後端蓋同軸，由電機驅動。
葉輪上的葉片吸力面前緣設有沿葉片型線間距b2布置的兩個吸力面凹點組，b2為葉片沿型線方向上高度均值的15％～18％；所述的吸力面凹點組包括沿與葉片前緣傾角平行的直線布置的五個吸力面凹點；葉片前緣傾角為20°～30°；葉片前緣到任一個吸力面凹點的距離都在葉片型線長度的5％～15％範圍內；吸力面凹點呈直徑d的半球形，d取值為葉片平均厚度的5％～10％；吸力面凹點組內相鄰吸力面凹點的中心距為葉片沿型線方向上高度均值的14％～16％，離葉片前緣較近的吸力面凹點組內中間位置的吸力面凹點中心位於葉片沿型線方向上高度均值的一半高度位置；離葉片前緣較遠的吸力面凹點組內中間位置的吸力面凹點中心高度比離葉片前緣較近的吸力面凹點組內中間位置的吸力面凹點中心高度高，差值為葉片沿型線方向上高度均值的10％～14％。
葉輪上的葉片壓力面前緣設有沿葉片型線間距布置的三個壓力面凹點組，葉片前緣與離葉片前緣最近的壓力面凹點組的間距為葉片沿型線方向上高度均值的4％～6％，離葉片前緣最近的壓力面凹點組與中間壓力面凹點組的間距為葉片沿型線方向上高度均值的14％～16％，中間壓力面凹點組與離葉片前緣最遠的壓力面凹點組的間距為葉片沿型線方向上高度均值的9％～11％；所述的壓力面凹點組包括沿與葉片前緣傾角平行的直線布置的五個壓力面凹點；葉片前緣到任一個壓力面凹點的距離都在葉片型線長度的5％～30％範圍內；壓力面凹點呈直徑d的半球形；壓力面凹點組內相鄰壓力面凹點的中心距為葉片沿型線方向上高度均值的14％～16％；各壓力面凹點組內中間位置的壓力面凹點中心位於葉片沿型線方向上高度均值的45％高度位置。
前輪轂位於葉輪葉道出口端設有前輪轂小翼，後輪轂位於葉輪葉道出口端設有兩個後輪轂小翼；前輪轂小翼的尾緣將葉道出口端弧線分成二等分，兩個後輪轂小翼的尾緣將葉道出口端弧線分成三等分；前輪轂小翼和後輪轂小翼的厚度均為葉片厚度的20％～30％；前輪轂小翼和後輪轂小翼的出口角與葉片出口角相等；前輪轂小翼的前緣與葉輪軸線的夾角為10°～40°，後輪轂小翼前緣與葉輪軸線的夾角為7°～30°；前輪轂小翼的型線長度是葉片型線長度的10％，後輪轂小翼的型線長度是葉片型線長度的15％，前輪轂小翼和後輪轂小翼的高度均為h，h取值為葉片沿型線方向上高度均值的5％～10％。
所述的前端蓋和後端蓋之間設置墊片，且前端蓋和後端蓋通過螺栓連接。
所述的葉輪上共有沿周向均布的5～8片葉片。
該防血細胞損壞的微型離心血液泵的循環供血方法如下：
血液通過前端蓋的進口進入，葉輪的葉片將機械能轉化為血液的機械能。葉片吸力面前緣的兩個吸力面凹點組和壓力面前緣的三個壓力面凹點組減弱了血細胞在流動中的受力複雜性，具體如下：葉片吸力面前緣兩個吸力面凹點組引起局部邊界層的變化，使得粘性大的血液能夠脫離葉片表面，降低了吸力面上的邊界層厚度；壁面剪切力在壓力面和吸力面上的分布不同，分布在吸力面前緣的壁面剪切力極大值分布在葉片型線長度的5％～15％範圍內，壓力面前緣的壁面剪切力極大值分布在葉片型線長度的5％～30％範圍內，並因為壓力面上壁面剪切力分布範圍更廣，壁面剪切力相對吸力面靠後，在壓力面前緣設置了三個壓力面凹點組，減弱粘性血液與壁面的接觸，進而降低了壓力面上血液與壁面的粘性摩擦，改善了葉片壓力面上的流動狀態。
流動的血液在葉輪的葉道中機械能不斷增加，前輪轂位於葉輪葉道出口端的前輪轂小翼和後輪轂位於葉輪葉道出口端的兩個後輪轂小翼控制了由於流體的壓力和離心力不平衡導致的徑向流動，同時還控制葉片流道中一對通道渦的尺寸，也就控制住了徑向運動的二次流，減小速度的不均勻，減小射流尾跡損失，抑制了葉道尾端的渦強度和流動損耗並控制渦脫落，進而控制粘性大的血液在葉道上下底面的邊界層厚度和渦的脫落頻率，對大的通道渦進行切割、梳理成小渦流，並對流道內的血液進行分離、導向，減小尾跡損失和渦流噪聲。
經葉輪的離心作用，將血液旋轉出葉輪。血液進一步進入蝸殼，變截面的蝸殼充當無葉擴壓段的作用，將血液中的部分動能進一步轉化為勢能，然後由蝸殼出口輸出。
本發明的有益效果：
1、本發明通過在葉輪葉片吸力面的前緣設置了光滑過渡的凹點，能改變粘性較大的血液在吸力面葉片前緣的邊界層厚度和血液在吸力面上的能量損耗，降低吸力面前緣的壁面剪應力，使得吸力面上血液中的血細胞不會因為較大的壁面剪切力而被損壞。對於直接與血液有衝擊的壓力面，本發明在葉片壓力面壁面剪切力集中的區域設置了光滑過渡的凹點，能夠改善壓力面上的流動狀況和改善邊界層厚度，對應減弱了壓力面上的壁面剪切力從而減小流動損失，改善了血液在葉輪中的流動狀況。同時，壓力面上壁面剪切力的減小也保證了血液中血細胞的完整性，避免了因為葉輪葉片前緣的高剪切對血細胞造成的破壞。
2、針對高轉速的離心泵在葉道出口端容易形成「射流-尾跡」的現象，以及在葉道上下表面存在渦結構的流動特性，設置了上下表面小翼，可以很好地控制由於流體的壓力和離心力不平衡導致的徑向流動，同時還可以控制葉片流道中一對通道渦的尺寸，也就控制住了徑向運動的二次流，減小速度的不均勻，減小射流尾跡損失，抑制了葉道尾端的渦強度和流動損耗並控制渦脫落。同時，均布在上下表面的小翼可以有效控制粘性較大的血液在葉道上下底面的邊界層厚度和渦的脫落頻率，該結構可以對大的通道渦進行切割、梳理成無數小渦流，並對流道內的粘性流體進行有效分離、導向，致使成為理想流動狀態，減小了離心泵的尾跡損失和渦流噪聲。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構立體圖；
圖2為本發明中葉輪的結構立體圖；
圖3為本發明中葉輪葉片吸力面前緣的吸力面凹點分布示意圖；
圖4為本發明中葉輪葉片壓力面前緣的壓力面凹點分布示意圖；
圖5為本發明的前、後輪轂小翼周向位置圖；
圖6為本發明的前輪轂小翼結構示意圖；
圖7為本發明的後輪轂小翼結構示意圖。
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。
如圖1所示，一種防血細胞損壞的微型離心血液泵，包括前端蓋1、後端蓋2和葉輪3；前端蓋1、後端蓋2之間設置墊片4，且前端蓋1和後端蓋2通過螺栓連接；葉輪3與前端蓋1、後端蓋2同軸，由電機驅動。
如圖2和3所示，葉輪3上的葉片吸力面前緣設有沿葉片型線間距b2布置的兩個吸力面凹點組，b2為葉片沿型線方向上高度均值的15％；吸力面凹點組包括沿與葉片前緣傾角平行的直線布置的五個吸力面凹點3-1a；葉片前緣傾角為20°；葉片前緣到任一個吸力面凹點的距離都在葉片型線長度的5％～15％範圍內；吸力面凹點3-1a呈直徑d的半球形，d取值為葉片平均厚度的5％～10％；吸力面凹點組內相鄰吸力面凹點的中心距b1為葉片沿型線方向上高度均值的15％，離葉片前緣較近的吸力面凹點組內中間位置的吸力面凹點中心位於葉片沿型線方向上高度均值的一半高度位置；離葉片前緣較遠的吸力面凹點組內中間位置的吸力面凹點中心高度比離葉片前緣較近的吸力面凹點組內中間位置的吸力面凹點中心高度高，差值為葉片沿型線方向上高度均值的12％。
如圖2和4所示，葉輪3上的葉片壓力面前緣設有沿葉片型線間距布置的三個壓力面凹點組，葉片前緣與離葉片前緣最近的壓力面凹點組的間距為葉片沿型線方向上高度均值的5％，離葉片前緣最近的壓力面凹點組與中間壓力面凹點組的間距b2為葉片沿型線方向上高度均值的15％，中間壓力面凹點組與離葉片前緣最遠的壓力面凹點組的間距b3為葉片沿型線方向上高度均值的10％；壓力面凹點組包括沿與葉片前緣傾角平行的直線布置的五個壓力面凹點3-2a；葉片前緣到任一個壓力面凹點的距離都在葉片型線長度的5％～30％範圍內；壓力面凹點呈直徑d的半球形；壓力面凹點組內相鄰壓力面凹點的中心距b1為葉片沿型線方向上高度均值的15％；各壓力面凹點組內中間位置的壓力面凹點中心位於葉片沿型線方向上高度均值的45％高度位置。
如圖2和5所示，前輪轂位於葉輪葉道出口端設有前輪轂小翼5-a，後輪轂位於葉輪葉道出口端設有兩個後輪轂小翼5-b；前輪轂小翼5-a的尾緣將葉道出口端弧線分成二等分，兩個後輪轂小翼5-b的尾緣將葉道出口端弧線分成三等分；前輪轂小翼5-a和後輪轂小翼5-b的厚度均為葉片厚度的20％～30％，葉輪3上共有沿周向均布的五片葉片，因此，該型微型離心泵有五個葉道；前輪轂小翼5-a和後輪轂小翼5-b的出口角與葉片出口角相等；如圖6和7所示，前輪轂小翼5-a的前緣與葉輪軸線的夾角為θ1，θ1取值為10°～40°，後輪轂小翼5-b的前緣與葉輪軸線的夾角為θ2，θ2取值為7°～30°；前輪轂小翼5-a的型線長度l1是葉片型線長度的10％，後輪轂小翼5-b的型線長度l2是葉片型線長度l的15％，前輪轂小翼5-a和後輪轂小翼5-b的高度均為h，h取值為葉片沿型線方向上高度均值的5％～10％。
該防血細胞損壞的微型離心血液泵的循環供血方法如下：
血液通過前端蓋1的進口進入，葉輪的葉片將機械能轉化為血液的機械能。血液有較大的粘性和血液中血細胞受力複雜時易破裂的特性，壁面切應力代表壁面處的摩擦損失，對於輸送血液的泵的內流研究來說是個非常重要的參數。壁面剪切力大的地方也是應力集中地方，不僅容易造成血液中血細胞的破碎影響血液泵的運輸效率，且容易引起局部邊界層加厚並產生小尺寸渦流，小尺寸渦流經過發展容易變為大尺寸渦流，產生噪聲。降低吸力面前緣集中分布的壁面剪切力，相應減弱流道內靠近葉片吸力面前緣的應力，能使得血液中血細胞在吸力面前緣處由較高的應力而造成的血細胞破碎的情況得到緩解。吸力面邊界層比壓力面邊界層厚得多，導致吸力面流動相當複雜，而且隨著流體從前緣到後緣的過程中，吸力面逆壓梯度不斷增大，導致吸力面邊界層不斷加厚，葉片吸力面前緣兩個吸力面凹點組的存在引起局部邊界層的變化，使得粘性較大的血液能夠儘快脫離葉片表面，降低了吸力面上的邊界層厚度。壁面剪切力在壓力面和吸力面上的分布是不同的，分布在吸力面前緣的壁面剪切力極大值分布在葉片型線長度的5％～15％範圍內，壓力面前緣的壁面剪切力極大值分布在葉片型線長度的5％～30％範圍內，並因為壓力面上壁面剪切力分布範圍更廣，壁面剪切力相對吸力面靠後，在壓力面前緣設置了三個壓力面凹點組，減弱粘性血液與壁面的接觸，進而降低了壓力面上血液與壁面的粘性摩擦，改善了葉片壓力面上的流動狀態。可見，兩個吸力面凹點組和三個壓力面凹點組對造成血液中血細胞破損的壁面剪切力的分布進行了改善，改善渦流，抑制大尺寸渦流的產生，提前將未發展成熟的渦流破碎成小尺寸渦流，對於改善流動，減弱血細胞在流動中的受力複雜性，對於降低血細胞破損至關重要。
流動的血液在葉輪的葉道中機械能不斷增加，前輪轂位於葉輪葉道出口端的前輪轂小翼5-a和後輪轂位於葉輪葉道出口端的兩個後輪轂小翼5-b控制了由於流體的壓力和離心力不平衡導致的徑向流動，同時還控制葉片流道中一對通道渦的尺寸，也就控制住了徑向運動的二次流，減小速度的不均勻，減小射流尾跡損失，抑制了葉道尾端的渦強度和流動損耗並控制渦脫落，進而控制粘性較大的血液在葉道上下底面的邊界層厚度和渦的脫落頻率，對大的通道渦進行切割、梳理成無數小渦流，並對流道內的粘性流體進行有效分離、導向，減小尾跡損失和渦流噪聲。
經葉輪的離心作用，將血液旋轉出葉輪。血液進一步進入蝸殼，變截面的蝸殼此時充當了無葉擴壓段的作用，將血液中的部分動能進一步轉化為勢能，然後由蝸殼出口輸出。