CN107050543A - 一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵。现有技术无法很好控制微小型血液离心泵中的边界层厚度、二次流和涡流噪声。本发明一级叶轮的每片一级叶片吸力面设有小翼；每片二级叶片与一片摆动叶片通过圆柱杆固定，圆柱杆与前端盖构成转动副；主动圆环内侧设有圆弧形齿条，控制箱输出端的齿轮与圆弧形齿条啮合；各连杆与主动圆环的铰接端沿主动圆环的周向均布；沿摆动叶片的前缘至尾缘方向，在各片摆动叶片的型线上按所在位置圆柱杆对应的截面积比设置分割点，作为该片摆动叶片与对应连杆的铰接端。本发明的二级叶片具有不同攻角，解决了不同蜗壳截面上血液的不同速度等流动参数不同的条件下对可调叶片安装角的需求。

Description

一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵

技术领域

本发明属于流体运输领域，涉及一种可自动调节叶片、低噪声、对血细胞低损坏的微小型离心血液泵，特别涉及一种根据控制箱和连杆系统自动调节叶片以及叶轮叶片吸力面有小翼结构的微小型离心血液泵。

背景技术

泵是一种应用非常广泛的通用机械，在人类的生产、生活中发挥着巨大的作用，不同种类及各种尺寸的泵也随着新的应用需要而不断地被制造并应用于各个行业之中。按照特征尺度的不同，大体上可以将泵分为以下几类：常规泵、微小型泵及微型泵。其中微小型泵的特征尺度范围大致为1～50mm，而微型泵与常规泵的特征长度分别为1mm以下及50mm以上。

微小型泵因其特殊的尺寸范围显现出其良好的应用前景，如微小型电机和包含计算机CPU在内的电子设备的冷却系统、管道泵、燃料电池的温度控制系统以及现在应用最广泛的医疗设备等。

考虑到血液有较大的粘性和血液运输中血细胞易破裂的特性，如何设计出流动剪切力低、内部流动稳定的微小型离心泵至关重要。但是除了输送液体的特殊性外，微小型离心泵中流动非常复杂性，主要体现在：1)流动的三维性；2)流体的粘性；3)流动的非定常性。因为输运血液在粘性和输运要求的特殊性，粘性不仅仅影响到叶片出口边为满足库塔-茹科夫斯基条件而形成的叶片尾迹旋涡。由于粘性，叶片表面以及环壁通道表面均会存在粘性边界层，它们之间以及与主流之间有强烈的相互作用，产生“二次流”现象。二次流动是微小型离心泵损失上升、效率下降的主要根源。同时，二次流和涡破裂是离心泵中产生噪声的主要来源。

同时，心脏是通过舒张和收缩来输送血液的，输出的是搏动流(流量、压力搏动)。若让旋转血泵模拟人体天然心脏来输出搏动流(流量、压力搏动)，有助于心脏手术后人体的恢复。但由于旋转血崩的为周期性变转速，周期内血液的流动参数(流量、压力等)随时间变化的，导致了血液泵内部的速度、压力、剪切力都时刻发生着变化，时刻变化的流动状态以及血液的特殊性(血细胞易破碎、血液粘性大)加剧了涡的形成和剪切力对血细胞的损坏。传统固定叶片的安装角度固定，对于变转速离心泵因转速变化造成的流体流动主方向的变化和各个参数的变化不能及时应对，不能提供较好的流动所需的最佳叶片安装角度，不能在任何转速的情况下都始终达到较高的效率，还会造成旋涡的产生，加剧涡流噪声。同时，对于截面面积不断变化的蜗壳，不同的截面上流动速度等参数是不同的，此时要求不同的叶片攻角会更合适，这就要求变转速泵的可调节叶片不同需要根据不同的具有不同的叶片变具有不同的角度变化率。

综上所述，对于变转速离心血液泵，要想设计优化出一种高效、低噪声、对血细胞低损坏的微小型离心血液泵，就是要控制和减小二次流动、防止涡脱落或是控制涡的形成，并具有能够针对变转速运动中各种变化的参量找到对应的最佳叶片安装角度的自动可调节的叶片。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术无法很好控制微小型血液离心泵中的边界层厚度、二次流和涡流噪声，无法针对变转速离心泵得到可调节叶片安装角叶片的情况，提供两级叶片的微型离心泵，具体是一级叶片吸力面有小翼结构，二级叶轮为带自动调节安装角叶片的微小型离心血液泵。

本发明包括前端盖、后端盖、一级叶轮和二级可调叶片叶轮；所述的前端盖、后端盖、一级叶轮和二级可调叶片叶轮均同轴设置。一级叶轮的每片一级叶片吸力面在高度方向的中心处设有小翼，小翼的尾缘与一级叶轮的尾缘平齐；小翼的高度方向与一级叶片的高度方向垂直设置；所述小翼的型线长度为一级叶片型线长度的10％～15％，且各一级叶片上小翼的型线长度相等；小翼横截面为三个角均倒圆角的等腰三角形，圆角半径为等腰三角形高度的0.1～0.2；等腰三角形位于前缘处的角为最小角度，最小角度为30°；小翼前缘相对小翼高度方向有30°倾角；一级叶片厚度为小翼尾缘高度的0.3～0.4。

所述的二级可调叶片叶轮包括主动圆环、连杆、摆动叶片、圆柱杆、二级叶片和控制箱。Z₁片二级叶片沿二级可调叶片叶轮周向布置，Z₁＝n*Z，n取1、2或3，Z为一级叶轮的一级叶片数目。每片二级叶片与一片摆动叶片通过圆柱杆固定连接，圆柱杆轴心线位于二级叶片及摆动叶片的对中面上；圆柱杆与前端盖开设的圆孔构成转动副，摆动叶片位于前端盖外部，二级叶片位于前端盖内部。每片摆动叶片与一根连杆的一端铰接，所有连杆的另一端均与圆环件铰接；主动圆环内侧设有圆弧形齿条，控制箱输出端的齿轮与圆弧形齿条啮合；圆弧形齿条对应的圆心角为30°～60°。所述的圆柱杆上设有迷宫状密封结构。

各连杆与主动圆环的铰接端沿主动圆环的周向均布；各连杆与对应一片摆动叶片的铰接端位置具体计算如下：

1)以圆环件中心和蜗壳上蜗舌最凸点的连线为零度线，并以蜗壳截面积逐渐增加的方向作为角度增加的正方向；蜗壳由前端盖和后端盖组成；避开零度线-15°～25°角度排布圆柱杆，并取与零度线成45°为第一根圆柱杆的位置，其余圆柱杆避开零度线-15°～45°后沿二级可调叶片叶轮周向均布。

2)取蜗壳过各圆柱杆中心轴线的截面积中最大的截面积为基准面积，计算蜗壳过各圆柱杆中心轴线的截面积与基准面积的截面积。

3)沿摆动叶片的前缘至尾缘方向，在各片摆动叶片的型线上按所在位置圆柱杆对应的截面积比设置分割点，作为该片摆动叶片与对应连杆的铰接端。

所述的前端盖和后端盖之间设有垫片，且前端盖和后端盖通过螺栓连接。

所述的前端盖与一级叶轮端面之间的空腔为压水室，压水室是血液的进口端。

所述主动圆环的内径为前端盖进口半径的1.2倍。

所述一级叶轮的转动中心与圆柱杆中心轴线的距离L满足下式：

L-R₁-0.5*L₂＝0.05R₁；

式中，L₂为二级叶片的型线长度，R₁为一级叶轮半径。

所述的迷宫状密封结构包括两个环形槽组；环形槽组由等距布置的6～8个环形槽组成，环形槽的槽宽与相邻环形槽间距相等。

所述的控制箱输有输出端齿轮不等速转动的转速函数。

本发明的有益效果：

本发明通过在一级固定叶片叶轮出口端设置了等腰三角形小翼结构，可以很好控制由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还可以对大的通道涡进行切割梳理，对流道内的粘性流体进行有效分离和导向，使得流动成为理想流动状态，减小了离心泵的尾迹损失和涡流噪声。控制叶片流道中一对通道涡的尺寸，也就控制住了径向运动的二次流，减小速度的不均匀，减小射流尾迹损失，抑制了叶道尾端的涡强度和流动损耗并控制涡脱落。

二级可调节叶片叶轮，针对血液离心泵运行过程中的变转速造成的速度、压力等的周期性变化，可以根据来流血液的变化选择合适的叶片攻角，减弱一级叶轮出口的“射流-尾迹”，减弱出口端出现的大的涡流，并对血液再次进行分流和梳理，将大的涡流梳理成小涡，改善血液泵的内部流动状况。二级可调节导叶对于整个血液泵类似于叶片扩压器，将流体的动能转化为有用的压力能，进一步提升血液泵的扬程，从而在相同扬程下可以适当的降低离心泵的转速，进而降低了血液收到的离心力，减少了血液中血细胞受到的离心力。

控制箱提前输入输出端齿轮不等速转动的转速函数，根据函数的变化对输出端齿轮进行控制，保证了可调叶片在主动圆环上的初始角动量是一致的，不同的连杆长度使得不同周向位置的可调叶片的变化率是不同的，进一步导致了不同的可调叶片具有不用的叶片转动量，获得了不同的叶片攻角，解决了不同蜗壳截面上血液的不同速度等流动参数不同的条件下对可调叶片的安装角的需求。满足了不同周向位置的可调叶片在不同转速下对可调叶片安装角的不同需求，就减少了血液的摩擦损失，同时对流道内的粘性流体进行有效分离、导向，致使成为理想流动状态，减少了涡脱落和涡破碎形成的噪声。同时，减小了离心泵的涡流强度并进一步降低了动压，提升了静压，从而获得了更高的效率。

附图说明

图1为本发明的结构立体图；

图2为本发明的一级叶轮结构图；

图3为本发明的一级叶片结构图；

图4为本发明的圆柱杆与前端盖的密封方式示意图；

图5为图4的A-A放大图；

图6为本发明中二级可调叶片叶轮的立体图；

图7为本发明中二级可调叶片叶轮的二维示意图；

图8为本发明各摆动叶片与对应摆动叶片的铰接端位置分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵，包括前端盖1、后端盖2、一级叶轮3和二级可调叶片叶轮5；前端盖1和后端盖2之间设有垫片4，且前端盖1和后端盖2通过螺栓连接；前端盖1、后端盖2、一级叶轮3和二级可调叶片叶轮5均同轴设置。前端盖1与一级叶轮3端面之间的空腔为压水室，压水室是血液的进口端；一级叶轮3的一级叶片数目Z＝5。

如图2和3所示，一级叶轮3的每片一级叶片吸力面在高度方向的中心处设有小翼3-1，小翼的尾缘与一级叶轮3的尾缘平齐；小翼的高度方向与一级叶片的高度方向垂直设置；小翼3-1的型线长度为一级叶片型线长度的10％～15％，且各一级叶片上小翼的型线长度相等；小翼横截面为三个角均倒圆角的等腰三角形，圆角半径为等腰三角形高度的0.1～0.2；等腰三角形位于前缘处的角为最小角度，最小角度为30°；小翼前缘相对小翼高度有30°倾角δ；一级叶片厚度b2为小翼尾缘高度b1的0.3～0.4。对存在较大流动不稳定性的叶轮流道的出口处加小翼结构，可以改善叶轮处的流动状况，抑制叶道出口处的涡结构产生，抑制叶道出口的“射流-尾迹”现象，减弱了叶片尾迹引起的涡流噪声。

如图1、4、6和7所示，二级可调叶片叶轮5包括主动圆环9、连杆8、摆动叶片7、圆柱杆6、二级叶片10和控制箱11。Z₁片二级叶片沿二级可调叶片叶轮5周向布置，Z₁＝n*Z，n取1、2或3，在本实施例中取n＝1。每片二级叶片与一片摆动叶片通过圆柱杆固定连接，圆柱杆轴心线位于二级叶片及摆动叶片的对中面上；圆柱杆与前端盖1开设的圆孔构成转动副，摆动叶片位于前端盖1外部，二级叶片位于前端盖1内部。每片摆动叶片与一根连杆的一端铰接，所有连杆的另一端均与圆环件铰接；主动圆环内径为前端盖1进口半径的1.2倍。主动圆环内侧设有圆弧形齿条9-1，控制箱输出端的齿轮11-1与圆弧形齿条啮合；圆弧形齿条对应的圆心角θ为30°～60°，本实施例中取30°。对圆弧形齿条对应圆心角的限制，从而限制二级叶片的极限位置。因为二级叶片可调节攻角，本实施例通过保证一级叶轮转动中心与圆柱杆中心轴线的距离L满足下式来保证二级叶片与一级叶片紧邻但不接触：

L-R₁-0.5*L₂＝0.05R₁；

式中，L₂为二级叶片的型线长度，R₁为一级叶轮半径。

如图5所示，圆柱杆设有迷宫状密封结构，保证了粘性血液不会发生泄漏。迷宫状密封结构包括两个环形槽组；环形槽组由等距布置的6～8个环形槽组成，环形槽的槽宽与相邻环形槽间距相等。

如图8所示，各连杆8与主动圆环的铰接端8-1沿主动圆环的周向均布。各连杆8与对应一片摆动叶片7的铰接端8-2位置与每根圆柱杆位置处对应蜗壳(前端盖1和后端盖2组成蜗壳)截面积大小有关，各连杆8与对应一片摆动叶片7的铰接端8-2位置具体计算如下：

1)以圆环件中心和蜗壳上蜗舌最凸点的连线为零度线，并以蜗壳截面积逐渐增加的方向作为角度增加的正方向。因为蜗舌附近-10°～20°流动不稳定，避开零度线-15°～25°角度排布圆柱杆。本实施例中圆柱杆数目为Z₁＝5，取45°为第一根圆柱杆的位置，其余圆柱杆避开零度线-15°～45°后沿二级可调叶片叶轮5周向均布。

2)取蜗壳过各圆柱杆中心轴线的截面积中最大的截面积为基准面积，计算得本实施例中蜗壳过各圆柱杆中心轴线的截面积与基准面积的截面积比分别为61％、82％、84％、86％和100％。

3)沿摆动叶片的前缘至尾缘方向，在各片摆动叶片的型线上按所在位置圆柱杆对应的截面积比设置分割点，作为该片摆动叶片7与对应连杆8的铰接端8-2，即蜗壳截面积越大位置处的摆动叶片的型线上分割点越靠近摆动叶片的尾缘处。

本发明将输出端齿轮不等速转动的转速函数输入到控制箱，根据函数的变化对输出端齿轮进行控制，保证了可调叶片在主动圆环上的初始角动量是一致的，不同的连杆长度使得不同周向位置的可调叶片的变化率是不同的，进一步导致了不同的可调叶片具有不用的叶片转动量，获得了不同的叶片攻角，解决了二级叶轮叶片因不同的蜗壳截面积造成的不同流速问题，即对于不同的蜗壳截面流速每个叶片的转动角度不用。

同时，二级叶片对泵体的前泵腔和后泵腔可以起到导流的作用，对于变转速流动造成的前腔和后腔流动的不稳定进行导流作用，有了叶片的导流作用，离心泵的前泵腔和后泵腔内的流体能够提前有一个导流方向，对粘性流体进行梳理，改善了前后泵腔的流动状况。

提供二级叶轮为可调安装角叶片的叶轮，对离心泵变转速运动时不断变化的速度、压力、剪切力，及时在一定范围内改变二级叶片的安装角，使得从一级叶片流出的血液在二级叶片的导流下将动能转化为势能，使得离心泵在任何转速的情况下都始终达到最有利的效率，同时，翼型截面的二级叶片还可以抑制旋涡的产生，改善流动状况，减弱涡流噪声。

Claims (7)

1.一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵，包括前端盖、后端盖、一级叶轮和二级可调叶片叶轮，其特征在于：所述的前端盖、后端盖、一级叶轮和二级可调叶片叶轮均同轴设置；一级叶轮的每片一级叶片吸力面在高度方向的中心处设有小翼，小翼的尾缘与一级叶轮的尾缘平齐；小翼的高度方向与一级叶片的高度方向垂直设置；所述小翼的型线长度为一级叶片型线长度的10％～15％，且各一级叶片上小翼的型线长度相等；小翼横截面为三个角均倒圆角的等腰三角形，圆角半径为等腰三角形高度的0.1～0.2；等腰三角形位于前缘处的角为最小角度，最小角度为30°；小翼前缘相对小翼高度方向有30°倾角；一级叶片厚度为小翼尾缘高度的0.3～0.4；

所述的二级可调叶片叶轮包括主动圆环、连杆、摆动叶片、圆柱杆、二级叶片和控制箱；Z₁片二级叶片沿二级可调叶片叶轮周向布置，Z₁＝n*Z，n取1、2或3，Z为一级叶轮的一级叶片数目；每片二级叶片与一片摆动叶片通过圆柱杆固定连接，圆柱杆轴心线位于二级叶片及摆动叶片的对中面上；圆柱杆与前端盖开设的圆孔构成转动副，摆动叶片位于前端盖外部，二级叶片位于前端盖内部；每片摆动叶片与一根连杆的一端铰接，所有连杆的另一端均与圆环件铰接；主动圆环内侧设有圆弧形齿条，控制箱输出端的齿轮与圆弧形齿条啮合；圆弧形齿条对应的圆心角为30°～60°；所述的圆柱杆上设有迷宫状密封结构；

各连杆与主动圆环的铰接端沿主动圆环的周向均布；各连杆与对应一片摆动叶片的铰接端位置具体计算如下：

1)以圆环件中心和蜗壳上蜗舌最凸点的连线为零度线，并以蜗壳截面积逐渐增加的方向作为角度增加的正方向；蜗壳由前端盖和后端盖组成；避开零度线-15°～25°角度排布圆柱杆，并取与零度线成45°为第一根圆柱杆的位置，其余圆柱杆避开零度线-15°～45°后沿二级可调叶片叶轮周向均布；

2)取蜗壳过各圆柱杆中心轴线的截面积中最大的截面积为基准面积，计算蜗壳过各圆柱杆中心轴线的截面积与基准面积的截面积；

3)沿摆动叶片的前缘至尾缘方向，在各片摆动叶片的型线上按所在位置圆柱杆对应的截面积比设置分割点，作为该片摆动叶片与对应连杆的铰接端。

2.根据权利要求1所述的一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵，其特征在于：所述的前端盖和后端盖之间设有垫片，且前端盖和后端盖通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵，其特征在于：所述的前端盖与一级叶轮端面之间的空腔为压水室，压水室是血液的进口端。

4.根据权利要求1所述的一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵，其特征在于：所述主动圆环的内径为前端盖进口半径的1.2倍。

5.根据权利要求1所述的一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵，其特征在于：所述一级叶轮的转动中心与圆柱杆中心轴线的距离L满足下式：

L-R₁-0.5*L₂＝0.05R₁；

式中，L₂为二级叶片的型线长度，R₁为一级叶轮半径。

6.根据权利要求1所述的一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵，其特征在于：所述的迷宫状密封结构包括两个环形槽组；环形槽组由等距布置的6～8个环形槽组成，环形槽的槽宽与相邻环形槽间距相等。

7.根据权利要求1所述的一种具有自调节叶片的微小型离心血液泵，其特征在于：所述的控制箱输有输出端齿轮不等速转动的转速函数。