CN101822855B - 人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构，该串列叶栅静子结构包括扩张式轮毂流道及其静子叶片；所述的扩张式轮毂流道采用了流线型的三次样条曲线流道，所述的静子叶片部分由5片前排叶片和5片后排叶片组成，后排叶片前缘与前排叶片尾缘之间留有一定间隙；所述的静子叶片的前后排叶片在周向位置结构方面：后排叶片前缘在根部和尖部均位于前排两片叶片之间周向角度的35％位置。本发明的结构设计不仅能够具有较高的供血压升能力，而且能够获得较好的流场分布，提高血液泵的抗溶血性能，满足其在将来短期或者长期植入心力衰竭患者体内的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构，属于综合叶轮机械技术与医学技术的技术领域。
背景技术
心力衰竭是各种心脏病发展的晚期阶段，直接威胁着越来越多的病人的生命。目前治疗心衰的方法主要有：药物治疗、外科手术、机械辅助循环、心脏移植、细胞移植等。药物治疗占了其中的绝大部分，但是当病情较重，甚至是心脏功能丧失的时候，就必须采取心脏移植救治。然而心脏移植的治疗方法有着较大的局限性，主要是因为用于移植的健康心脏数量很少并且很难及时获得，而且手术后可能产生排异反应和机会性感染。所以人造机械血液泵，即：人工心脏，有着很大的需求。
人造机械血液泵按照工作机理和构造的不同可分为：脉动式血液泵和旋转式连续流的叶轮式血液泵。相对于脉动式血液泵，旋转式连续流的叶轮式血液泵具有结构简单、易于制造、无需安装人工瓣膜等优点。叶轮式血液泵又进一步分为叶轮式轴流血液泵、叶轮式离心血液泵和叶轮式混流血液泵。叶轮式轴流血液泵相比叶轮式离心血液泵，具有体积小、预充量小、对血液破坏程度轻等优点，并且更适于植入人体。
在叶轮式轴流血液泵的设计中，不仅要考虑满足人体基本需要的供血压升需求，而且要考虑血液泵的抗溶血性能，血液循环过程中氧气的输送是由血红细胞完成的，过大的切应力会使血红细胞的细胞膜撕裂，细胞内的血红蛋白游离到血浆中，导致血红细胞的携氧能力丧失，这就是所谓的溶血现象。大量的溶血会造成血液循环的氧交换能力大幅下降，引起贫血，严重的还会危及生命。导致溶血的因素有很多，但内在的原因是血液的动力学行为。现有的研究表明，溶血出现在不符合生理要求的血流中，如湍流，涡流，高剪切应力区等。溶血好坏对于血液泵能否成功应用于临床都有着至关重要的作用。
叶轮式轴流血液泵主要由导叶部分、转子部分和静子部分组成，其中静子部分不仅起到了整流血液出口方向的作用，而且对提高血液的压升起到了一定的作用。在血液流经血液泵的过程中，血液从转子流出后具有较高的速度和偏转角度，静子面对如此恶劣的进口条件，极易出现涡流和回流等不良流动现象，进而引发溶血问题，这一点已经被数值模拟结果和血液泵动物实验结果所证实，所以静子的设计好坏对血液泵的抗溶血性能有着很大的影响。因此说结构先进、设计合理的静子对一个能够成功应用于临床的人工心脏血液泵来说必不可少。
在航空发动机的轴流压气机或离心压气机部件应用到的串列叶栅技术可以起到抑制、推迟流动分离的作用，尤其在气流折转角较大的情况下，效果更为明显，其应用有效地提高了压气机的效率和性能。在叶轮式轴流血液泵的静子设计中，至今却没有基于串列叶栅结构的设计，基本都是单排的一般静子结构设计，即使在静子后的血泵出口部位再加一排叶片，目的也主要在于进一步导直血液出口的流动，起到后导叶的作用。一般结构的血泵静子部分采用一排叶片来承受较大的血液流动折转角，这种结构的缺陷在于通过静子部分，将转子出口的高速、大偏转角的血液流动转为平稳的轴向流动的过程中，会有接近70·-80·的角度偏转，从而极易出现涡流、倒流等分离问题，从而会引发溶血问题，影响到血泵的抗溶血性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构，如图1b所示，将一般血泵静子结构设计的五片静子叶片分为五片前排叶片和五片后排叶片的串列叶栅结构，流道部分采用了流线型的三次样条曲线，图中两种结构的叶片叶尖直径均为12.7mm。设计目的在于使得静子部分不仅能够具有较高的供血压升能力，而且能够获得较好的流场分布，提高血液泵的抗溶血性能，满足其在将来短期或者长期植入心力衰竭患者体内的要求。
本发明的技术方案主要包括以下几点：
一种人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构，其特征在于：该串列叶栅静子结构包括静子轮毂流道及其静子叶片：
1、静子轮毂流道，采用了流线型的三次样条曲线流道，如图4a标号8所示。这种流线型流道防止了压力的突扩，有利于在静子叶片区抑制流动的分离，三次样条流线型静子轮毂轴向范围如图4a标号13所示，该三次样条曲线插值点子午坐标如下，横坐标为插值节点轴向坐标，纵坐标为插值节点在垂直轴向的展向方向坐标，单位均为m：
(0.01250，0.00525)，(0.01358，0.00525)，(0.01500，0.00522)，(0.01787，0.00512)，(0.01969，0.00504)，(0.02176，0.00488)，(0.02387，0.00463)，(0.02679，0.00399)，(0.02887，0.00324)，(0.03073，0.00246)，(0.03207，0.00202)，(0.03230，0.00200)；
2、静子叶片部分由五片前排叶片2和五片后排叶片3组成，后排叶片前缘11与前排叶片尾缘10之间留有一定间隙，在子午和叶栅结构视图(图4a、b)上，指明了各叶片参数含义，前排叶片前缘9和前排叶片尾缘10在前排叶片根部4的半径分别为5.25mm和5.07mm，前排叶片前缘9和前排叶片尾缘10在前排叶片尖部6的半径均为6.35mm；后排叶片前缘11和后排叶片尾缘12在后排叶片根部5的半径分别为5.06mm和4.43mm，后排叶片前缘11和后排叶片尾缘12在后排叶片尖部7的半径均为6.35mm。前排叶片前缘9和前排叶片尾缘10在前排叶片根部4的前缘叶片角β11和尾缘叶片角β21分别为-70.20°和-18.70°，前排叶片前缘9和前排叶片尾缘10在前排叶片尖部6的前缘叶片角β12和尾缘叶片角β22分别为-60.3°和-31.2°；后排叶片前缘11和后排叶片尾缘12在后排叶片根部5的前缘叶片角β13和尾缘叶片角β23分别为-39.1°和11.5°，后排叶片前缘11和后排叶片尾缘12在后排叶片尖部7的前缘叶片角β14和尾缘叶片角β24分别为-30.3°和8.9°。前排叶片安装角βy1在前排叶片根部4为-47.7°，在前排叶片尖部6为-48.8°；后排叶片安装角βy2在后排叶片根部5为-13.7°，在后排叶片尖部7为-10.6°。前排叶片根部4的轴向长度为6.48mm，前排叶片尖部6的轴向长度为6.28mm；后排叶片根部5的轴向长度为5.74mm，后排叶片尖部7的轴向长度为5.74mm。前、后排叶片参数值可参见表1。角度方向的定义以该角度方向相对血液泵轴向(从静子进口方向指向出口方向)为顺时针旋转方向为正。
表1.串列叶栅静子前后排叶片几何参数
前排叶片根部叶片角βhub分布分别采用两段三次样条曲线拟合得到，横坐标是以前排叶片前缘点为基准的子午轴向长度值，单位为m；纵坐标为根部叶片角βhub值，单位为°。在前排叶片根部：第一段三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00000，-70.7)，(0.00046，-67.2)，(0.00092，-64.0)，(0.00137，-59.1)；第二段三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00137，-59.1)，(0.00309，-42.2)，(0.00480，-29.3)，(0.00648，-18.7)。前排叶片尖部叶片角βtip分布分别采用两段三次样条曲线拟合得到，横坐标是以前排叶片前缘点为基准的子午轴向长度值，单位为m；纵坐标为尖部叶片角βtip值，单位为°。在前排叶片尖部：第一段三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00000，-60.5)，(0.00044，-59.1)，(0.00089，-57.7)，(0.00133，-56.5)；第二段三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00133，-56.5)，(0.00298，-48.7)，(0.00463，-40.7)，(0.00628，-31.3)。
后排叶片根部叶片角βhub和尖部叶片角βtip分布采用三次样条曲线拟合得到，横坐标是以前排叶片前缘点为基准的子午轴向长度值，单位为m；纵坐标分别为根部叶片角βhub和尖部叶片角βtip，单位为°。在后排叶片根部：三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00676，-39.1)，(0.00876，-20.0)，(0.01070，-3.7)，(0.01254，12.1)。在后排叶片尖部：三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00676，-30.3)，(0.00867，-16.5)，(0.01059，-3.7)，(0.01250，9.4)。
本发明的静子叶片厚度也比一般的血液泵静子叶片更薄，这里的静子厚度是以叶型表面点到中弧线的垂直距离定义。一般结构中的静子叶片厚度为0.4mm～2.0mm，而本发明结构中前后排静子叶片厚度为：0.50mm～0.76mm。前排叶片和后排叶片的厚度分布均采用三次样条曲线拟合得到。横坐标是以前缘点为基准的子午轴向长度值，单位为m；纵坐标为采用叶型表面点到中弧线的垂直距离定义的叶片厚度，单位为m。前排叶片根部插值节点坐标为：(0.00000，0.00055)，(0.00087，0.00062)，(0.00231，0.00070)，(0.00407，0.00069)，(0.00549，0.00063)，(0.00649，0.00056)；前排叶片尖部插值节点坐标为：(0.00000，0.00060)，(0.00138，0.00070)，(0.00283，0.00076)，(0.00471，0.00072)，(0.00628，0.00060)。后排叶片根部插值节点坐标为：(0.00675，0.00048)，(0.00804，0.00054)，(0.01038，0.00058)，(0.01150，0.00056)，(0.01256，0.00050)；后排叶片尖部插值节点坐标为：(0.00674，0.00052)，(0.00854，0.00058)，(0.01008，0.00060)，(0.01079，0.00059)，(0.01250，0.00052)。
3、静子叶片的前后排叶片在周向位置结构方面：后排叶片前缘在根部和尖部均位于前排两片叶片之间周向角度的35％位置，由于轮毂为回转面结构，反映在展开的二维叶栅结构图(图5a、b)上：沿垂直轴向的回转面弧向方向上，后排叶片中弧线前缘点至前排叶片中弧线延长线的弧向长度L1占前排叶片两相邻叶片中弧线的弧向距离L的比例为35％：即L1/L＝0.35(L1和L处在同一子午轴向位置上，计算L1时取压力面相邻后排叶片的前排叶片为基准)。
本发明为一种人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构，其优点及功效在于：将一般结构设计的5片静子叶片分为前排5片叶片和后排5片叶片的串列叶栅结构分别设计，同时在本发明设计中的静子轮毂流道采用了光滑的三次样条流线型曲线，轮毂流道采用平缓的过渡形式，尤其是在静子叶片区，流道的扩张更为舒缓；本发明的结构设计不仅能够具有较高的供血压升能力，而且能够获得较好的流场分布，提高血液泵的抗溶血性能，满足其在将来短期或者长期植入心力衰竭患者体内的要求。
附图说明
图1a所示为现有技术中单排静子叶片的三维示意图
图1b所示为本发明串列叶栅静子结构三维示意图
图2a所示为现有技术和本发明的静子部分压升-流量特性曲线对比示意图
图2b所示为现有技术和本发明的静子部分总压恢复系数-流量特性曲线对比示意图
图3a1所示为现有技术静子叶片区的10％展向叶高的流场示意图
图3a2所示为现有技术静子叶片区的50％展向叶高的流场示意图
图3b1所示为本发明静子叶片区的10％展向叶高的流场示意图
图3b2所示为本发明静子叶片区的50％展向叶高的流场示意图
图4a所示为本发明静子部分的子午结构二维示意图
图4b所示为本发明静子部分的二维叶栅通道结构示意图
图5a所示为本发明静子部分的二维叶栅通道根部结构示意图
图5b所示为本发明静子部分的二维叶栅通道尖部结构示意图
图中具体标号及符号如下：
1：静子叶片；2：前排叶片；3：后排叶片；4：前排叶片根部；5：后排叶片根部；
6：前排叶片尖部；7：后排叶片尖部；8：静子轮毂流道；
9：前排叶片前缘；10：前排叶片尾缘；11：后排叶片前缘；12：后排叶片尾缘；
13：三次样条流线型静子轮毂轴向范围；
βy：安装角(弦线与轴向夹角，相对轴向为顺时针方向为正)；
β1：前缘叶片角(中弧线在前缘点切线与轴向夹角，相对轴向为顺时针方向为正)；
β2：尾缘叶片角(中弧线在尾缘点切线与轴向夹角，相对轴向为顺时针方向为正)；
βhub：叶片根部叶片角(叶片根部中弧线在该点切线与轴向夹角，相对轴向为顺时针方向为正)：
βtip：叶片尖部叶片角(叶片尖部中弧线在该点切线与轴向夹角，相对轴向为顺时针方向为正)；
L1：沿垂直轴向的回转面弧向方向上，后排叶片中弧线前缘点至前排叶片中弧线延长线的弧向长度；L：沿垂直轴向的回转面弧向方向上，前排叶片两相邻叶片中弧线的弧向距离(注：L1和L处于同一轴向位置，计算L1时取压力面相邻后排叶片的前排叶片为基准)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构，其特征在于：该串列叶栅静子结构包括静子轮毂流道及其静子叶片
1、静子轮毂流道，采用了流线型的三次样条曲线流道，如图4a标号8所示。这种流线型流道防止了压力的突扩，有利于在静子叶片区抑制流动的分离，三次样条流线型静子轮毂轴向范围如图4a标号13所示，该三次样条曲线插值点子午坐标如下，横坐标为插值节点轴向坐标，纵坐标为插值节点在垂直轴向的展向方向坐标，单位均为m：
(0.01250，0.00525)，(0.01358，0.00525)，(0.01500，0.00522)，(0.01787，0.00512)，(0.01969，0.00504)，(0.02176，0.00488)，(0.02387，0.00463)，(0.02679，0.00399)，(0.02887，0.00324)，(0.03073，0.00246)，(0.03207，0.00202)，(0.03230，0.00200)：
2、静子叶片部分由五片前排叶片2和五片后排叶片3组成，后排叶片前缘11与前排叶片尾缘10之间留有一定间隙，在子午和叶栅结构视图(图4a、b)上，指明了各叶片参数含义，前排叶片前缘9和前排叶片尾缘10在前排叶片根部4的半径分别为5.25mm和5.07mm，前排叶片前缘9和前排叶片尾缘10在前排叶片尖部6的半径均为6.35mm；后排叶片前缘11和后排叶片尾缘12在后排叶片根部5的半径分别为5.06mm和4.43mm，后排叶片前缘11和后排叶片尾缘12在后排叶片尖部7的半径均为6.35mm。前排叶片前缘9和前排叶片尾缘10在前排叶片根部4的前缘叶片角β11和尾缘叶片角β21分别为-70.20°和-18.70°，前排叶片前缘9和前排叶片尾缘10在前排叶片尖部6的前缘叶片角β12和尾缘叶片角β22分别为-60.3°和-31.2°；后排叶片前缘11和后排叶片尾缘12在后排叶片根部5的前缘叶片角β13和尾缘叶片角β23分别为-39.1°和11.5°，后排叶片前缘11和后排叶片尾缘12在后排叶片尖部7的前缘叶片角β14和尾缘叶片角β24分别为-30.3°和8.9°。前排叶片安装角βy1在前排叶片根部4为-47.7°，在前排叶片尖部6为-48.8°；后排叶片安装角βy2在后排叶片根部5为-13.7°，在后排叶片尖部7为-10.6°。前排叶片根部4的轴向长度为6.48mm，前排叶片尖部6的轴向长度为6.28mm；后排叶片根部5的轴向长度为5.74mm，后排叶片尖部7的轴向长度为5.74mm。前、后排叶片参数值可参见表1。角度方向的定义以该角度方向相对血液泵轴向(从静子进口方向指向出口方向)为顺时针旋转方向为正。
表1.串列叶栅静子前后排叶片几何参数
前排叶片根部叶片角βhub分布分别采用两段三次样条曲线拟合得到，横坐标是以前排叶片前缘点为基准的子午轴向长度值，单位为m；纵坐标为根部叶片角βhub值，单位为°。在前排叶片根部：第一段三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00000，-70.7)，(0.00046，-67.2)，(0.00092，-64.0)，(0.00137，-59.1)；第二段三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00137，-59.1)，(0.00309，-42.2)，(0.00480，-29.3)，(0.00648，-18.7)。前排叶片尖部叶片角βtip分布分别采用两段三次样条曲线拟合得到，横坐标是以前排叶片前缘点为基准的子午轴向长度值，单位为m；纵坐标为尖部叶片角βtip值，单位为°。在前排叶片尖部：第一段三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00000，-60.5)，(0.00044，-59.1)，(0.00089，-57.7)，(0.00133，-56.5)；第二段三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00133，-56.5)，(0.00298，-48.7)，(0.00463，-40.7)，(0.00628，-31.3)。
后排叶片根部叶片角βhub和失部叶片角βtip分布采用三次样条曲线拟合得到，横坐标是以前排叶片前缘点为基准的子午轴向长度值，单位为m；纵坐标分别为根部叶片角βhub和尖部叶片角βtip，单位为°。在后排叶片根部：三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00676，-39.1)，(0.00876，-20.0)，(0.01070，-3.7)，(0.01254，12.1)。在后排叶片尖部：三次样条曲线的插值节点坐标为：(0.00676，-30.3)，(0.00867，-16.5)，(0.01059，-3.7)，(0.01250，9.4)。
前排叶片和后排叶片的厚度分布均采用三次样条曲线拟合得到。横坐标是以前缘点为基准的子午轴向长度值，单位为m；纵坐标为采用叶型表面点到中弧线的垂直距离定义的叶片厚度，单位为m。前排叶片根部插值节点坐标为：(0.00000，0.00055)，(0.00087，0.00062)，(0.00231，0.00070)，(0.00407，0.00069)，(0.00549，0.00063)，(0.00649，0.00056)：前排叶片尖部插值节点坐标为：(0.00000，0.00060)，(0.00138，0.00070)，(0.00283，0.00076)，(0.00471，0.00072)，(0.00628，0.00060)。后排叶片根部插值节点坐标为：(0.00675，0.00048)，(0.00804，0.00054)，(0.01038，0.00058)，(0.01150，0.00056)，(0.01256，0.00050)；后排叶片尖部插值节点坐标为：(0.00674，0.00052)，(0.00854，0.00058)，(0.01008，0.00060)，(0.01079，0.00059)，(0.01250，0.00052)。
3、静子叶片的前后排叶片在周向位置结构方面：后排叶片前缘在根部和尖部均位于前排两片叶片之间周向角度的35％位置，由于轮毂为回转面结构，反映在展开的二维叶栅结构图(图5a、b)上：沿垂直轴向的回转面弧向方向上，后排叶片中弧线前缘点至前排叶片中弧线延长线的弧向长度L1占前排叶片两相邻叶片中弧线的弧向距离L的比例为35％：即L1/L＝0.35(L1和L处在同一子午轴向位置上，计算L1时取压力面相邻后排叶片的前排叶片为基准)。
采用叶轮机械常用计算流体动力学(CFD)数值模拟软件NUMECA(NUMECA公司，比利时)计算后证实，静子部分的压力提升能力随着转子转速的增加而提高，这是由于静子将血液在转子部分获得的能量转化为压力势能。在图2a、b的特性线对比中，在现有技术中，当转子转速处于12000rpm的情况下，其一般结构静子的压升性能却低于本发明中转子转速为11000rpm、10000rpm和9000rpm的串列叶栅静子的压升性能，尤其是在体积流量较小时，串列叶栅静子结构的升压优势更为明显。并且在大部分的流量区域范围内，串列叶栅静子的总压恢复系数都高于一般结构静子的总压恢复系数；图3a1、a2可见，在一般结构静子的10％展向叶高位置和50％展向叶高位置会发生倒流和涡流的问题，而在使用该串列叶栅静子发明结构后这些问题都得到了有效的控制，如图3b1、b2所示。
Claims (2)
1.一种人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构，该串列叶栅静子结构包括静子轮毂流道及其静子叶片，其特征在于：
静子轮毂流道，采用了流线型的三次样条曲线流道，这种流线型流道防止了压力的突扩，有利于在静子叶片区抑制流动的分离，该三次样条曲线插值点子午坐标如下，横坐标为插值节点轴向坐标，纵坐标为插值节点在垂直轴向的展向方向坐标，单位均为m：
(0.01250，0.00525)，(0.01358，0.00525)，(0.01500，0.00522)，(0.01787，0.00512)，(0.01969，0.00504)，(0.02176，0.00488)，(0.02387，0.00463)，(0.02679，0.00399)，(0.02887，0.00324)，(0.03073，0.00246)，(0.03207，0.00202)，(0.03230，0.00200)；
静子叶片部分由五片前排叶片(2)和五片后排叶片(3)组成，后排叶片前缘(11)与前排叶片尾缘(10)之间留有一定间隙，前排叶片前缘(9)和前排叶片尾缘(10)在前排叶片根部(4)的半径分别为5.25mm和5.07mm，前排叶片前缘(9)和前排叶片尾缘(10)在前排叶片尖部(6)的半径均为6.35mm；后排叶片前缘(11)和后排叶片尾缘(12)在后排叶片根部(5)的半径分别为5.06mm和4.43mm，后排叶片前缘(11)和后排叶片尾缘(12)在后排叶片尖部(7)的半径均为6.35mm；前排叶片前缘(9)和前排叶片尾缘(10)在前排叶片根部(4)的前缘叶片角β11和尾缘叶片角β21分别为-70.20°和-18.70°，前排叶片前缘(9)和前排叶片尾缘(10)在前排叶片尖部(6)的前缘叶片角β12和尾缘叶片角β22分别为-60.3°和-31.2°；后排叶片前缘(11)和后排叶片尾缘(12)在后排叶片根部(5)的前缘叶片角β13和尾缘叶片角β23分别为-39.1°和11.5°，后排叶片前缘(11)和后排叶片尾缘(12)在后排叶片尖部(7)的前缘叶片角β14和尾缘叶片角β24分别为-30.3°和8.9°，前排叶片安装角βy1在前排叶片根部(4)为-47.7°，在前排叶片尖部(6)为-48.8°；后排叶片安装角βy2在后排叶片根部(5)为-13.7°，在后排叶片尖部(7)为-10.6°，前排叶片根部(4)的轴向长度为6.48mm，前排叶片尖部(6)的轴向长度为6.28mm；后排叶片根部(5)的轴向长度为5.74mm，后排叶片尖部(7)的轴向长度为5.74mm。
2.根据权利要求1所述的人工心脏血液泵的串列叶栅静子结构，其特征在于：所述的静子叶片的前后排叶片在周向位置结构上：后排叶片前缘在根部和尖部均位于前排两片叶片之间周向角度的35％位置，由于轮毂为回转面结构，反映在展开的二维叶栅结构图上：沿垂直轴向的回转面弧向方向上，后排叶片中弧线前缘点至前排叶片中弧线延长线的弧向长度L1占前排叶片两相邻叶片中弧线的弧向距离L的比例为35％，其中，L1和L处在同一子午轴向位置上，计算L1时取的前排叶片为压力面相邻后排叶片的前排叶片。
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