CN103206402B - 一种可植入式两级轴流血泵转子结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可植入式两级轴流血泵转子结构其包括转子头部、转子尾部和叶轮部分，所述叶轮部分采用两级结构设计，包括前级叶轮和后级叶轮；其中，所述前级叶轮(2)为螺旋结构，叶片数为3，所述后级叶轮(3)为传统轴流结构，在所述前级叶轮和所述后级叶轮之间设置轴向间距；所述转子头部的表面曲线方程为，其中x为轮毂轴向距离，y为轮毂径向距离，原点为转子头部表面曲线与轮毂轴线的交点；本发明可使血泵转子在轴向尺寸尽可能小的前提下以较低转速满足扬程要求，从而有效减少溶血的形成并降低功耗；由于对前后叶轮之间的过渡进行了修正，可减少因血泵转子结构更复杂而出现的不规则流动。

Description

一种可植入式两级轴流血泵转子结构

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种可植入式两级轴流血泵转子结构。

背景技术

据世界卫生组织报告，全世界每年死于心脏病的人高达1700万，其中1999年因心脏病死亡的人数占到全球死亡人数的三分之一，而在发展中国家，心脏病造成的死亡人数更严重，已成为头号杀手。虽然美国在心脏移植方面很早就有了成功先例，但据美国国家心血肺研究机构的调查表明：美国每年能提供两千个心脏供体，而需要进行心脏移植手术的人数却高达三万五千人，远远高于心脏供体数。随着全球心脏衰竭患者数量的高居不下，以及可供移植心脏供体的缺乏，心脏衰竭患者能得到可匹配移植心脏的几率越来越小，同时，等待供心的时间也越来越长。因此研制长期可植入微型血泵具有重要意义。

目前的可植入微型血泵以轴流结构最具代表。轴流血泵的工作原理及其体积大小决定其需要很高的转速才能满足人体所需血压。较高的转速需要更高的功率驱动，同时对血液的破坏也更大，尤其是对血液中红细胞的破坏，从而造成溶血的形成。因此在满足血泵扬程、尺寸等要求的前提下，合理设计出一种具有较低转速的血泵对避免溶血的产生非常重要。鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明目的在于提出一种可植入式两级轴流血泵转子结构，使其在轴向尺寸尽可能小的前提下以较低转速满足扬程要求，从而有效减少溶血的形成并降低功耗。

为了达到上述目的，本发明通过以下方案实现：

一种可植入式两级轴流血泵转子结构，其包括转子头部、转子尾部和叶轮部分，所述叶轮部分采用两级结构设计，包括前级叶轮和后级叶轮；其中，所述前级叶轮为螺旋结构，所述后级叶轮为传统轴流结构，在所述前级叶轮和所述后级叶轮之间设置轴向间距；

所述转子头部的表面曲线方程为，其中x为轮毂轴向距离，y为轮毂径向距离，原点为转子头部表面曲线与轮毂轴线的交点。

较佳的，所述前级叶轮的轮缘和轮毂中间处流面的螺旋线的加厚方式为一边加厚，加厚规律为梯形变化规律。

较佳的，所述后级叶轮的轮缘处叶栅稠密度大于轮毂处叶栅稠密度，轮缘与轮毂之间部分的叶栅稠密度按线性规律变化。

较佳的，所述转子尾部的表面曲线方程为，其中x为轮毂轴向距离，y为轮毂径向距离，原点为转子尾部表面曲线与轮毂轴线的交点。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

1.将前级叶轮设计为螺旋结构，可使前级叶轮在较好的入流条件下充分发挥其结构的优点，如效率高、扬程大、血栓性能好等，而将后级叶轮设计为传统轴流结构，可使两级血泵在扬程提高的前提下，轴流尺寸尽可能小。

2.可植入式两级血泵转子结构中的后级叶轮，其入流条件在前级叶轮的影响下与设计时有差别，可较好的改善后级叶轮的入流条件，提高其工作性能，同时尽可能减少前后叶轮之间的复杂流动，避免溶血的形成。

3.可植入式两级血泵转子结构中的后级叶轮，其翼型采用的是NACA4415翼型的改进型，主要是将NACA4415翼型的最大厚度后移，同时减小最大厚度，这样可使其具有较好的能量特性和翼型表面均匀的压力分布，对于减少红细胞因压差过大导致破裂而形成的溶血具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的可植入式两级轴流血泵转子结构简图；

图2为前级叶轮叶片中部螺旋线图；

图3为NACA4415翼型改进型的几何形状图；

图4为不同转速下的流量扬程图；

图5为不同切应力所占百分比的柱状图。

图中标号：1为转子头部，2为前级叶轮，3为后级叶轮，4为转子尾部。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图1所示，其为本发明的可植入式两级轴流血泵转子结构简图，所述可植入式两级轴流血泵转子包括转子头部1、前级叶轮2、后级叶轮3和转子尾部4。将所述前级叶轮2设计为螺旋结构，可使所述前级叶轮2在较好的入流条件下充分发挥其结构的优点，而将所述后级叶轮3设计为传统轴流结构，可使两级血泵在扬程提高的前提下，轴流尺寸尽可能小。

所述转子头部1和所述转子尾部4设计为流线型，有助于减少血泵入流阻力和出流的不规则流动，所述转子头部1的表面曲线方程为x为轮毂轴向距离，y为轮毂径向距离，原点为表面曲线与轮毂轴线的交点。

较佳的针对所述转子尾部4表面曲线方程为在上述表面曲线方程中，x为轮毂轴向距离，y为轮毂径向距离，原点为表面曲线与轮毂轴线的交点。

根据人体主动脉内径20mm，将所述血泵转子叶轮外径设计为18mm，轮毂比为0.56，轮毂直径则根据叶轮外径和轮毂比计算并取整为10mm，血泵转速则根据轴流泵比转速的范围和血泵的两级结构特点取为7000r/min。

请参阅图2所示，其为前级叶轮叶片中部螺旋线图，所述前级叶轮2采用一元流动理论设计。所述前级叶轮2叶片中部的螺旋线方程根据叶轮旋转不同角度时，叶片中部螺旋线某点所在位置和速度三角形之间的关系进行确定，最后得出轮毂到轮缘中间处流面(r＝7)的螺旋线方程为z＝0.0193θ+0.00014θ²，其中z为可植入式两级轴流血泵转子的轴向距离，θ为螺旋线旋转角度，u为所述前级叶轮2圆周速度，v_m为所述前级叶轮2轴面速度，v_u为所述前级叶轮2出口绝对速度的圆周分速度。所述螺旋线从起点到终点的旋转角度为300°，所述螺旋线的加厚方式为一边加厚，加厚规律为梯形变化规律，在本实施例中，上底为0.4mm，下底为0.8mm，所述可植入式两级轴流血泵转子的所述前级叶轮2的叶片数为3。

请参阅图3所示，其为NACA4415翼型改进型的几何形状图，所述后级叶轮3采用流线法设计，速度环量采用变环量分布规律，具体为V_ur^0.6＝常数，其中V_u为所述后级叶轮3出口绝对速度的圆周分速度，r为所述后级叶轮3的轮毂到轮缘之间各等分流面的半径，轮缘处叶栅稠密度为常数a，本实施例中常数a设为1.82，轮毂处叶栅稠密度为常数b，本实施例中常数b设为1.5，轮毂到轮缘之间部分的叶栅稠密度按线性规律变化，所述可植入式两级轴流血泵转子的所述后级叶轮3的叶片数为4，所述后级叶轮3的叶片各流面翼型均采用NACA4415改进型，将NACA4415翼型的最大厚度后移，同时减小最大厚度，这样可使翼型具有较好的能量特性，使翼型表面具有均匀的压力分布，对于减少红细胞因压差过大导致破裂而形成的溶血具有重要意义。所述NACA4415翼型的数据如下：

其中，l为翼型弦长，b为翼型压力面到翼弦的距离，h为翼型吸力面到翼弦的距离。在上表中，的计算方法如下所示：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{x}{l}\×100\%,$ $\stackrel{\‾}{h}=\frac{h}{l}\×100\%,$ $\stackrel{\‾}{b}=\frac{b}{l}\×100\%.$

最后得出所述后级叶轮3的设计结果为：

当忽略前级叶轮2和后级叶轮3之间的能量损失时，可认为所述可植入式两级轴流血泵转子前级叶轮出口绝对速度三角形与后级叶轮进口绝对速度三角形相等，根据它们之间的关系需要对所述后级叶轮3的翼型安放角进行25°的修正，前级叶轮2和后级叶轮3之间的轴向距离则确定为1.4mm。从而使前级叶轮2和后级叶轮3之间达到较好的过渡，减少不规则的流动。这种改良使所述可植入式两级轴流血泵转子在轴向尺寸尽可能小的前提下，降低功耗；同时尽可能减少前后叶轮之间的复杂流动，避免溶血的形成。

分别利用Pro/E、Gambit、Fluent对所述可植入式两级轴流血泵转子进行三维模型建立、网格划分和流场计算。Fluent6.3的设置初始条件为：入口流量为61/min，转速为7000r/min，转子部分设为“MovingReferenceFrame”，湍流模型设为RNGκ-ε模型，流体按血液的参数进行设置(密度为1050kg/m³，粘度为0.0035Pa·s)，算法为SIMPLEC。不同转速和入口流量下，血泵的扬程请参阅图4。当血泵在入口流量为61/min和转速为7000r/min的设计工况下，扬程为99.2mmHg，可满足成年人正常血压。所述可植入式两级轴流血泵转子表面的切应力分布请参阅图5，其中切应力大于150Pa所占比例很小，约为0.5％，说明血液红细胞受剪切破坏的几率很小，不易形成溶血。从而以较低转速满足扬程要求，从而有效减少溶血的形成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种可植入式两级轴流血泵转子结构，其特征在于：其包括转子头部、转子尾部和叶轮部分，所述叶轮部分采用两级结构设计，包括前级叶轮和后级叶轮；

其中，所述前级叶轮为螺旋结构，所述后级叶轮为传统轴流结构，在所述前级叶轮和所述后级叶轮之间设置轴向间距；

所述转子头部的表面曲线方程为，其中x为轮毂轴向距离，y为轮毂径向距离，原点为转子头部表面曲线与轮毂轴线的交点。

2.根据权利要求1所述的可植入式两级轴流血泵转子结构，其特征在于：所述前级叶轮的轮缘和轮毂中间处流面的螺旋线的加厚方式为一边加厚，加厚规律为梯形变化规律。

3.根据权利要求1所述的可植入式两级轴流血泵转子结构，其特征在于：所述后级叶轮的轮缘处叶栅稠密度大于轮毂处叶栅稠密度，轮缘与轮毂之间部分的叶栅稠密度按线性规律变化。

4.根据权利要求1所述的可植入式两级轴流血泵转子结构，其特征在于，所述转子尾部的表面曲线方程为，其中x为轮毂轴向距离，y为轮毂径向距离，原点为转子尾部表面曲线与轮毂轴线的交点。