CN101822854A - 人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构，该结构具体包括转子轮毂流道及转子叶片：所述的转子轮毂流道，该流道采用逐渐收缩结构，采用了流线型的三次样条曲线进行了轮毂流道的定义，所述的转子叶片，由2片整体大叶片和2片分流小叶片组成。整体大叶片在根部和尖部分别采用了两段叶型结合式设计；转子叶片周向位置结构方面：分流小叶片位于两片整体大叶片之间周向角度的47％位置。使用本发明的转子结构后，转子的供血压升能力得到增强，转子叶片叶尖切线速度和转子叶片对血液的剪切作用降低，转子内部流动顺畅，没有流动分离现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构，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，其中转子部分对于提高来流血液的压力起了大部分作用，但同时由于转子转速较高，即叶尖切线速度较高，会导致较高的剪切应力，从而引发溶血问题。所以如何能在提供医学需求的供血压升和降低高的剪切应力之间寻求一种平衡，同时还要保证转子内流动的顺畅，这就是设计血泵转子部分的核心问题。
一般的叶轮式轴流血液泵的转子部分采用较为单一的转子叶片设计，这种设计所带来问题为：在提供医学需求的供血压升条件下，转子转速过高，剪切应力过大，从而容易引发溶血问题。而该发明中，转子部分采用了带分流叶片的前导流式转子叶片，同时应用流线型的三次样条曲线的转子轮毂流道，较大的提高了转子的做功能力，从而降低了转子转速和转子叶片的叶尖切线速度，同时保证了转子内流场的顺畅。
发明内容
本发明的研究目的在于提供一种人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构。在本发明中，设计流道的轮毂半径为逐渐增加的过渡形式结构，采用了三次样条曲线定义，并且将前导流叶片和大小叶片中的大叶片做成一体式的整体大叶片，同时在整体大叶片的后部设计了两个分流小叶片，结构对比见图1a、b。该转子发明在转速范围为9000-11000rpm下，流量为2.8-5.0L/min状态下能够对工质为血液的流体提供100mmHg的压升，满足医学需要的供血压升要求。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，与现有技术的一般结构相比，该发明的转子在转速为10000rpm时的供血压升-流量性能与一般转子结构在转速为12000rpm时的供血压升-流量性能接近，如图2所示，又由于两者的叶片叶尖直径均为12.7mm，从而使得叶尖切线速度下降了16.67％，从而降低了转子叶片对血液的剪切作用；图3显示使用该发明转子结构后，转子内部流动顺畅，没有发生流动分离现象，图中两镂空位置为整体大叶片位置4和分流小叶片位置5。
本发明为一种人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构，该结构具体包括转子轮毂流道及转子叶片：
1、转子轮毂流道，该流道采用逐渐收缩结构，如图4a标号10所示，采用了流线型的三次样条曲线定义了轮毂流道。这种流线型流道借助离心力的作用对提升血液压力有一定作用，并且采用逐渐过渡的方式使得离心力升压作用和叶片的环量变化升压作用在整个的通道内形成一个良好的匹配，也防止了压力的突增，三次样条流线型转子轮毂轴向范围如图4a标号14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mm：
(0.50，2.00)，(0.71，2.03)，(1.58，2.35)，(2.85，2.95)，(4.97，3.88)，(7.42，4.74)，(8.81，5.07)，(9.44，5.17)，(10.60，5.25)。
2、转子叶片，由两片整体大叶片2和两片分流小叶片3组成，在轴向位置上，分流小叶片尾缘13和整体大叶片尾缘13重合，在子午和叶栅结构视图(图4a、b)上，指明了各叶片参数含义：整体大叶片前缘11和整体大叶片尾缘13在整体大叶片根部6的半径分别为2.05mm和5.25mm，整体大叶片前缘11和整体大叶片尾缘13在整体大叶片尖部8的半径均为6.35mm；分流小叶片前缘12和分流小叶片尾缘13在分流小叶片根部7的半径分别为3.67mm和5.25mm，分流小叶片前缘12和分流小叶片尾缘13在分流小叶片尖部9的半径均为6.35mm。整体大叶片前缘11和整体大叶片尾缘13在整体大叶片根部6的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为76.4°和39.1°，整体大叶片前缘11和整体大叶片尾缘13在整体大叶片尖部8的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为85.9°和48.6°；分流小叶片前缘12和分流小叶片尾缘13在分流小叶片根部7的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为64.3°和39.1°，分流小叶片前缘12和分流小叶片尾缘13在分流小叶片尖部9的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为73.8°和48.6°。安装角βy在整体大叶片根部6为61.6°，在整体大叶片尖部8为74.4°；安装角βy在分流小叶片根部7为51.9°，在分流小叶片尖部9为61.3°。整体大叶片根部6的轴向长度为10.7mm，整体大叶片尖部8的轴向长度为9.6mm；分流小叶片根部7的轴向长度为6.6mm，分流小叶片尖部9的轴向长度为5.7mm。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泵轴向(从转子进口方向指向出口方向)为顺时针旋转方向为正。
表1.转子叶片几何参数
一体式的整体大叶片在叶片的根部和尖部都采用了两段叶型结合式设计，设计思想是使两段叶型的前面第一段叶型起导流叶片的作用，而后面的第二段叶型主要对血液工质做功，提高血液的压力。叶片根部两段叶型的过渡变化点到叶片前缘点的轴向长度M2占整体大叶片根部子午轴向长度M1的36.5％；叶片尖部两段叶型的过渡变化点到叶片前缘点的轴向长度M4占整体大叶片尖部子午轴向长度M3的37.6％。反映在图5a、b上即：M2/M1＝0.365，M4/M3＝0.376。
整体大叶片根部叶片角βhub分布采用三次样条曲线拟合得到，横坐标是以整体大叶片前缘插值点为基准的子午轴向长度值，单位为mm；纵坐标为根部叶片角βhub值，单位为°。在整体大叶片根部：第一段叶型的插值节点坐标为：(0.0，76.4)，(1.1，72.3)，(2.3，68.5)，(3.9，64.9)；第二段叶型的插值节点坐标为：(3.9，64.9)，(5.8，56.0)，(8.1，47.4)，(10.7，39.1)。整体大叶片尖部叶片角βtip分布采用三次Bezier曲线定义，横坐标是以整体大叶片前缘插值点为基准的子午轴向长度值，单位为mm；纵坐标为尖部叶片角βtip值，单位为°。在整体大叶片尖部：第一段叶型的控制点坐标为：(0.0，85.9)，(1.3，79.7)，(2.7，77.5)，(3.6，75.9)；第二段叶型的控制点坐标为：(3.6，75.9)，(5.7，61.0)，(8.3，52.9)，(9.6，48.6)。
分流小叶片的根部叶片角βhub和尖部叶片角βtip分布采用与其处于相同子午轴向位置的整体大叶片定义的根部叶片角βhub和尖部叶片角βtip分布。
整体大叶片和分流小叶片的厚度分布均采用三次样条曲线拟合得到。横坐标是以整体大叶片前缘插值点为基准的子午轴向长度值，单位为mm；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mm。整体大叶片根部插值节点坐标为：(0.00，0.55)，(2.23，0.64)，(6.73，0.75)，(10.65，0.60)；整体大叶片尖部插值节点坐标为：(0.00，0.52)，(3.90，0.67)，(6.87，0.70)，(9.60，0.56)。分流小叶片根部插值节点坐标为：(4.03，0.55)，(5.01，0.62)，(8.00，0.70)，(10.65，0.60)；分流小叶片尖部插值节点坐标为：(3.92，0.50)，(4.27，0.53)，(6.59，0.65)，(9.60，0.55)。
转子叶片周向位置结构方面：分流小叶片位于两片整体大叶片之间周向角度的47％位置处，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：在沿垂直轴向的弧向方向上，分流小叶片中弧线前缘点到整体大叶片中弧线的弧向长度L1占整体大叶片两相邻叶片中弧线的弧向距离长度L的比例为47％，即L1/L＝0.47(L1和L的定义位于同一子午轴向位置，计算L1时取吸力面相邻分流小叶片的整体大叶片为基准)。
本发明为一种人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构，其优点及功效在于：该转子发明在转速范围为9000-11000rpm下，流量为2.8-5.0L/min状态下能够对工质为血液的流体提供100mmHg的压升，满足医学需要的供血压升要求。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，与现有技术的一般结构相比，该发明的转子在转速为10000rpm时的供血压升-流量性能与一般转子结构在转速为12000rpm时的供血压升-流量性能接近，如图2所示，又由于两者的叶片叶尖直径均为12.7mm，从而使得叶尖切线速度下降了16.67％，从而降低了转子叶片对血液的剪切作用；图3显示使用该发明转子结构后，转子内部流动顺畅，没有发生流动分离现象，图中两镂空位置为整体大叶片位置4和分流小叶片位置5。
附图说明
图1a所示为现有技术血泵转子部分三维示意图
图1b所示为本发明血泵转子部分三维示意图
图2所示为一般结构转子和本发明转子的压升-流量特性曲线对比示意图
图3所示为本发明转子内50％展向叶高位置流线分布示意图
图4a所示为本发明转子二维子午结构示意图
图4b所示为本发明转子二维叶栅通道结构示意图
图5a所示为本发明转子二维叶栅通道根部结构示意图
图5b所示为本发明转子二维叶栅通道尖部结构示意图
图中具体标号如下：
1：一般转子叶片；2：整体大叶片；3：分流小叶片；4：整体大叶片位置；5：分流小叶片位置；6：整体大叶片根部；
7：分流小叶片根部；8：整体大叶片尖部；9：分流小叶片尖部；
10：转子轮毂流道；11：整体大叶片前缘；12：分流小叶片前缘；
13：整体大叶片尾缘/分流小叶片尾缘，(两者在子午视图上位置重合)；
14：三次样条流线型转子轮毂轴向范围；
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：在沿垂直轴向的弧向方向上，分流小叶片中弧线前缘点到整体大叶片中弧线的弧向长度；
L：在沿垂直轴向的弧向方向上，整体大叶片两相邻叶片中弧线的弧向距离长度(L1和L的定义采用同一轴向位置，计算L1时取吸力面相邻分流小叶片的整体大叶片为基准)；
M1：整体大叶片根部子午轴向长度；
M2：叶片根部两段叶型的过渡变化点到叶片前缘点的轴向长度；
M3：整体大叶片尖部子午轴向长度；
M4：叶片尖部两段叶型的过渡变化点到叶片前缘点的轴向长度。
具体实施例
下面结合附图，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带分流叶片的前导流式转子结构，该结构具体包括转子轮毂流道及转子叶片：
1、转子轮毂流道，该流道采用逐渐收缩结构，如图4a标号10所示，采用了流线型的三次样条曲线定义了轮毂流道。这种流线型流道借助离心力的作用对提升血液压力有一定作用，并且采用逐渐过渡的方式使得离心力升压作用和叶片的环量变化升压作用在整个的通道内形成一个良好的匹配，也防止了压力的突增，三次样条流线型转子轮毂轴向范围如图4a标号14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mm：
(0.50，2.00)，(0.71，2.03)，(1.58，2.35)，(2.85，2.95)，(4.97，3.88)，(7.42，4.74)，(8.81，5.07)，(9.44，5.17)，(10.60，5.25)。
2、转子叶片，由两片整体大叶片2和两片分流小叶片3组成，在轴向位置上，分流小叶片尾缘13和整体大叶片尾缘13重合，在子午和叶栅结构视图(图4a、b)上，指明了各叶片参数含义：整体大叶片前缘11和整体大叶片尾缘13在整体大叶片根部6的半径分别为2.05mm和5.25mm，整体大叶片前缘11和整体大叶片尾缘13在整体大叶片尖部8的半径均为6.35mm；分流小叶片前缘12和分流小叶片尾缘13在分流小叶片根部7的半径分别为3.67mm和5.25mm，分流小叶片前缘12和分流小叶片尾缘13在分流小叶片尖部9的半径均为6.35mm。整体大叶片前缘11和整体大叶片尾缘13在整体大叶片根部6的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为76.4°和39.1°，整体大叶片前缘11和整体大叶片尾缘13在整体大叶片尖部8的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为85.9°和48.6°；分流小叶片前缘12和分流小叶片尾缘13在分流小叶片根部7的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为64.3°和39.1°，分流小叶片前缘12和分流小叶片尾缘13在分流小叶片尖部9的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为73.8°和48.6°。安装角βy在整体大叶片根部6为61.6°，在整体大叶片尖部8为74.4°；安装角βy在分流小叶片根部7为51.9°，在分流小叶片尖部9为61.3°。整体大叶片根部6的轴向长度为10.7mm，整体大叶片尖部8的轴向长度为9.6mm；分流小叶片根部7的轴向长度为6.6mm，分流小叶片尖部9的轴向长度为5.7mm。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泵轴向(从转子进口方向指向出口方向)为顺时针旋转方向为正。
表1.转子叶片几何参数
一体式的整体大叶片在叶片的根部和尖部都采用了两段叶型结合式设计，设计思想是使两段叶型的前面第一段叶型起导流叶片的作用，而后面的第二段叶型主要对血液工质做功，提高血液的压力。叶片根部两段叶型的过渡变化点到叶片前缘点的轴向长度M2占整体大叶片根部子午轴向长度M1的36.5％；叶片尖部两段叶型的过渡变化点到叶片前缘点的轴向长度M4占整体大叶片尖部子午轴向长度M3的37.6％。反映在图5a、b上即：M2/M1＝0.365，M4/M3＝0.376。
整体大叶片根部叶片角βhub分布采用三次样条曲线拟合得到，横坐标是以整体大叶片前缘插值点为基准的子午轴向长度值，单位为mm；纵坐标为根部叶片角βhub值，单位为°。在整体大叶片根部：第一段叶型的插值节点坐标为：(0.0，76.4)，(1.1，72.3)，(2.3，68.5)，(3.9，64.9)；第二段叶型的插值节点坐标为：(3.9，64.9)，(5.8，56.0)，(8.1，47.4)，(10.7，39.1)。整体大叶片尖部叶片角βtip分布采用三次Bezier曲线定义，横坐标是以整体大叶片前缘插值点为基准的子午轴向长度值，单位为mm；纵坐标为尖部叶片角βtip值，单位为°。在整体大叶片尖部：第一段叶型的控制点坐标为：(0.0，85.9)，(1.3，79.7)，(2.7，77.5)，(3.6，75.9)；第二段叶型的控制点坐标为：(3.6，75.9)，(5.7，61.0)，(8.3，52.9)，(9.6，48.6)。
分流小叶片的根部叶片角βhub和尖部叶片角βtip分布采用与其处于相同子午轴向位置的整体大叶片定义的根部叶片角βhub和尖部叶片角βtip分布。
整体大叶片和分流小叶片的厚度分布均采用三次样条曲线拟合得到。横坐标是以整体大叶片前缘插值点为基准的子午轴向长度值，单位为mm；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mm。整体大叶片根部插值节点坐标为：(0.00，0.55)，(2.23，0.64)，(6.73，0.75)，(10.65，0.60)；整体大叶片尖部插值节点坐标为：(0.00，0.52)，(3.90，0.67)，(6.87，0.70)，(9.60，0.56)。分流小叶片根部插值节点坐标为：(4.03，0.55)，(5.01，0.62)，(8.00，0.70)，(10.65，0.60)；分流小叶片尖部插值节点坐标为：(3.92，0.50)，(4.27，0.53)，(6.59，0.65)，(9.60，0.55)。
转子叶片周向位置结构方面：分流小叶片位于两片整体大叶片之间周向角度的47％位置处，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：在沿垂直轴向的弧向方向上，分流小叶片中弧线前缘点到整体大叶片中弧线的弧向长度L1占整体大叶片两相邻叶片中弧线的弧向距离长度L的比例为47％，即L1/L＝0.47(L1和L的定义位于同一子午轴向位置，计算L1时取吸力面相邻分流小叶片的整体大叶片为基准)。
Claims (3)
1.一种人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构，该结构具体包括转子轮毂流道及转子叶片：其特征在于：
转子轮毂流道，该流道采用逐渐收缩结构，采用了流线型的三次样条曲线定义了轮毂流道，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mm：
(0.50，2.00)，(0.71，2.03)，(1.58，2.35)，(2.85，2.95)，(4.97，3.88)，(7.42，4.74)，(8.81，5.07)，(9.44，5.17)，(10.60，5.25)；
所述的转子叶片，由两片整体大叶片(2)和两片分流小叶片(3)组成，在轴向位置上，分流小叶片尾缘(13)和整体大叶片尾缘(13)重合：整体大叶片前缘(11)和整体大叶片尾缘(13)在整体大叶片根部(6)的半径分别为2.05mm和5.25mm，整体大叶片前缘(11)和整体大叶片尾缘(13)在整体大叶片尖部(8)的半径均为6.35mm；分流小叶片前缘(12)和分流小叶片尾缘(13)在分流小叶片根部(7)的半径分别为3.67mm和5.25mm，分流小叶片前缘(12)和分流小叶片尾缘(13)在分流小叶片尖部(9)的半径均为6.35mm；整体大叶片前缘(11)和整体大叶片尾缘(13)在整体大叶片根部(6)的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为76.4°和39.1°，整体大叶片前缘(11)和整体大叶片尾缘(13)在整体大叶片尖部(8)的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为85.9°和48.6°；分流小叶片前缘(12)和分流小叶片尾缘(13)在分流小叶片根部(7)的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为64.3°和39.1°，分流小叶片前缘(12)和分流小叶片尾缘(13)在分流小叶片尖部(9)的前缘叶片角β1和尾缘叶片角β2分别为73.8°和48.6°；安装角βy在整体大叶片根部(6)为61.6°，在整体大叶片尖部(8)为74.4°；安装角βy在分流小叶片根部(7)为51.9°，在分流小叶片尖部(9)为61.3°，整体大叶片根部(6)的轴向长度为10.7mm，整体大叶片尖部(8)的轴向长度为9.6mm；分流小叶片根部(7)的轴向长度为6.6mm，分流小叶片尖部(9)的轴向长度为5.7mm。
2.一体式的整体大叶片在叶片的根部和尖部都采用了两段叶型结合式设计，设计思想是使两段叶型的前面第一段叶型起导流叶片的作用，而后面的第二段叶型主要对血液工质做功，提高血液的压力；叶片根部两段叶型的过渡变化点到叶片前缘点的轴向长度M2占整体大叶片根部子午轴向长度M1的36.5％；叶片尖部两段叶型的过渡变化点到叶片前缘点的轴向长度M4占整体大叶片尖部子午轴向长度M3的37.6％，即：M2/M1＝0.365，M4/M3＝0.376。
3.根据权利要求1或2所述的人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构，其特征在于：转子叶片周向位置结构方面：分流小叶片位于两片整体大叶片之间周向角度的47％位置处，由于轮毂为回转面结构，反映在展开的二维叶栅结构图上：在沿垂直轴向的弧向方向上，分流小叶片中弧线前缘点到整体大叶片中弧线的弧向长度L1占整体大叶片两相邻叶片中弧线的弧向距离长度L的比例为47％，即L1/L＝0.47，其中，L1和L的定义位于同一子午轴向位置，计算L1时取吸力面相邻分流小叶片的整体大叶片为基准。
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| CN2010101707134A CN101822854B (zh) | 2010-05-06 | 2010-05-06 | 人工心脏血液泵的带分流叶片的前导流式转子结构 |
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