CN107050542B - 一种防血细胞损坏的微型离心血液泵及其循环供血方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防血细胞损坏的微型离心血液泵及其循环供血方法。现有技术无法很好控制微型血液离心泵中的边界层厚度、二次流和涡流噪声。本发明叶轮上的叶片吸力面前缘设有沿叶片型线间距布置的两个吸力面凹点组，叶片压力面前缘设有沿叶片型线间距布置的三个压力面凹点组；前轮毂位于叶轮叶道出口端设有前轮毂小翼，后轮毂位于叶轮叶道出口端设有两个后轮毂小翼。本发明的两个吸力面凹点组和三个压力面凹点组引起局部边界层的变化，使得粘性大的血液能够脱离叶片表面，降低了边界层厚度；前轮毂小翼和两个后轮毂小翼控制了流体径向流动，减小射流尾迹损失和涡流噪声。

Description

一种防血细胞损坏的微型离心血液泵及其循环供血方法

技术领域

本发明属于微型泵技术领域，涉及一种高效、低噪声、对血细胞低损坏的微型离心血液泵，特别涉及叶片前缘有圆滑凹点以及叶轮前后轮毂有小翼的微型离心血液泵及其循环供血方法。

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。

微型泵的发展始于上世纪70年代，伴随着“微电子机械***”与“微流动***”的发展，微型泵的研究得以推动。作为微流动***重要的执行器件，微型泵被广泛应用于液气微量配给、流动控制、化学分析、环境监测、微量注入和药物传送、集成电路的微冷却、微小型卫星的推进等方面。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***、管道泵、燃料电池的温度控制***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、内部流动稳定的微型离心泵至关重要。但是除了输送液体的特殊性外，微型离心泵中流动非常复杂，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，产生所谓的“二次流”现象。二次流动是微型离心泵损失上升、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。

综上所述，要想设计优化出一种高效、低噪声、对血细胞低损坏的微型离心血液泵，就是要控制和减小二次流动、控制和减小边界层厚度、防止涡脱落、或是控制涡的形成。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术无法很好控制微型血液离心泵中的边界层厚度、二次流和涡流噪声的问题，提供叶片前缘有圆滑凹点以及叶轮前后轮毂有小翼的微型离心血液泵及其循环供血方法，圆滑凹点减弱在叶轮前缘的壁面剪应力分布，控制径向运动的二次流，控制叶片表面边界层厚度；对存在较大流动不稳定性的叶轮流道的出口处加小翼，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，减弱了叶片尾迹引起的涡流噪声；通过对微型离心泵叶轮部分不同位置的改进使该型离心泵流动剪切应力更低，运行效率更高，噪声更低。

本发明一种防血细胞损坏的微型离心血液泵，包括前端盖、后端盖和叶轮；叶轮与前端盖、后端盖同轴，由电机驱动。

叶轮上的叶片吸力面前缘设有沿叶片型线间距b2布置的两个吸力面凹点组，b2为叶片沿型线方向上高度均值的15％～18％；所述的吸力面凹点组包括沿与叶片前缘倾角平行的直线布置的五个吸力面凹点；叶片前缘倾角为20°～30°；叶片前缘到任一个吸力面凹点的距离都在叶片型线长度的5％～15％范围内；吸力面凹点呈直径D的半球形，D取值为叶片平均厚度的5％～10％；吸力面凹点组内相邻吸力面凹点的中心距为叶片沿型线方向上高度均值的14％～16％，离叶片前缘较近的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心位于叶片沿型线方向上高度均值的一半高度位置；离叶片前缘较远的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心高度比离叶片前缘较近的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心高度高，差值为叶片沿型线方向上高度均值的10％～14％。

叶轮上的叶片压力面前缘设有沿叶片型线间距布置的三个压力面凹点组，叶片前缘与离叶片前缘最近的压力面凹点组的间距为叶片沿型线方向上高度均值的4％～6％，离叶片前缘最近的压力面凹点组与中间压力面凹点组的间距为叶片沿型线方向上高度均值的14％～16％，中间压力面凹点组与离叶片前缘最远的压力面凹点组的间距为叶片沿型线方向上高度均值的9％～11％；所述的压力面凹点组包括沿与叶片前缘倾角平行的直线布置的五个压力面凹点；叶片前缘到任一个压力面凹点的距离都在叶片型线长度的5％～30％范围内；压力面凹点呈直径D的半球形；压力面凹点组内相邻压力面凹点的中心距为叶片沿型线方向上高度均值的14％～16％；各压力面凹点组内中间位置的压力面凹点中心位于叶片沿型线方向上高度均值的45％高度位置。

前轮毂位于叶轮叶道出口端设有前轮毂小翼，后轮毂位于叶轮叶道出口端设有两个后轮毂小翼；前轮毂小翼的尾缘将叶道出口端弧线分成二等分，两个后轮毂小翼的尾缘将叶道出口端弧线分成三等分；前轮毂小翼和后轮毂小翼的厚度均为叶片厚度的20％～30％；前轮毂小翼和后轮毂小翼的出口角与叶片出口角相等；前轮毂小翼的前缘与叶轮轴线的夹角为10°～40°，后轮毂小翼前缘与叶轮轴线的夹角为7°～30°；前轮毂小翼的型线长度是叶片型线长度的10％，后轮毂小翼的型线长度是叶片型线长度的15％，前轮毂小翼和后轮毂小翼的高度均为H，H取值为叶片沿型线方向上高度均值的5％～10％。

所述的前端盖和后端盖之间设置垫片，且前端盖和后端盖通过螺栓连接。

所述的叶轮上共有沿周向均布的5～8片叶片。

该防血细胞损坏的微型离心血液泵的循环供血方法如下：

血液通过前端盖的进口进入，叶轮的叶片将机械能转化为血液的机械能。叶片吸力面前缘的两个吸力面凹点组和压力面前缘的三个压力面凹点组减弱了血细胞在流动中的受力复杂性，具体如下：叶片吸力面前缘两个吸力面凹点组引起局部边界层的变化，使得粘性大的血液能够脱离叶片表面，降低了吸力面上的边界层厚度；壁面剪切力在压力面和吸力面上的分布不同，分布在吸力面前缘的壁面剪切力极大值分布在叶片型线长度的5％～15％范围内，压力面前缘的壁面剪切力极大值分布在叶片型线长度的5％～30％范围内，并因为压力面上壁面剪切力分布范围更广，壁面剪切力相对吸力面靠后，在压力面前缘设置了三个压力面凹点组，减弱粘性血液与壁面的接触，进而降低了压力面上血液与壁面的粘性摩擦，改善了叶片压力面上的流动状态。

流动的血液在叶轮的叶道中机械能不断增加，前轮毂位于叶轮叶道出口端的前轮毂小翼和后轮毂位于叶轮叶道出口端的两个后轮毂小翼控制了由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还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，进而控制粘性大的血液在叶道上下底面的边界层厚度和涡的脱落频率，对大的通道涡进行切割、梳理成小涡流，并对流道内的血液进行分离、导向，减小尾迹损失和涡流噪声。

经叶轮的离心作用，将血液旋转出叶轮。血液进一步进入蜗壳，变截面的蜗壳充当无叶扩压段的作用，将血液中的部分动能进一步转化为势能，然后由蜗壳出口输出。

本发明的有益效果：

1、本发明通过在叶轮叶片吸力面的前缘设置了光滑过渡的凹点，能改变粘性较大的血液在吸力面叶片前缘的边界层厚度和血液在吸力面上的能量损耗，降低吸力面前缘的壁面剪应力，使得吸力面上血液中的血细胞不会因为较大的壁面剪切力而被损坏。对于直接与血液有冲击的压力面，本发明在叶片压力面壁面剪切力集中的区域设置了光滑过渡的凹点，能够改善压力面上的流动状况和改善边界层厚度，对应减弱了压力面上的壁面剪切力从而减小流动损失，改善了血液在叶轮中的流动状况。同时，压力面上壁面剪切力的减小也保证了血液中血细胞的完整性，避免了因为叶轮叶片前缘的高剪切对血细胞造成的破坏。

2、针对高转速的离心泵在叶道出口端容易形成“射流-尾迹”的现象，以及在叶道上下表面存在涡结构的流动特性，设置了上下表面小翼，可以很好地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。同时，均布在上下表面的小翼可以有效控制粘性较大的血液在叶道上下底面的边界层厚度和涡的脱落频率，该结构可以对大的通道涡进行切割、梳理成无数小涡流，并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，减小了离心泵的尾迹损失和涡流噪声。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图；

图2为本发明中叶轮的结构立体图；

图3为本发明中叶轮叶片吸力面前缘的吸力面凹点分布示意图；

图4为本发明中叶轮叶片压力面前缘的压力面凹点分布示意图；

图5为本发明的前、后轮毂小翼周向位置图；

图6为本发明的前轮毂小翼结构示意图；

图7为本发明的后轮毂小翼结构示意图。

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，一种防血细胞损坏的微型离心血液泵，包括前端盖1、后端盖2和叶轮3；前端盖1、后端盖2之间设置垫片4，且前端盖1和后端盖2通过螺栓连接；叶轮3与前端盖1、后端盖2同轴，由电机驱动。

如图2和3所示，叶轮3上的叶片吸力面前缘设有沿叶片型线间距b2布置的两个吸力面凹点组，b2为叶片沿型线方向上高度均值的15％；吸力面凹点组包括沿与叶片前缘倾角平行的直线布置的五个吸力面凹点3-1A；叶片前缘倾角为20°；叶片前缘到任一个吸力面凹点的距离都在叶片型线长度的5％～15％范围内；吸力面凹点3-1A呈直径D的半球形，D取值为叶片平均厚度的5％～10％；吸力面凹点组内相邻吸力面凹点的中心距b1为叶片沿型线方向上高度均值的15％，离叶片前缘较近的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心位于叶片沿型线方向上高度均值的一半高度位置；离叶片前缘较远的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心高度比离叶片前缘较近的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心高度高，差值为叶片沿型线方向上高度均值的12％。

如图2和4所示，叶轮3上的叶片压力面前缘设有沿叶片型线间距布置的三个压力面凹点组，叶片前缘与离叶片前缘最近的压力面凹点组的间距为叶片沿型线方向上高度均值的5％，离叶片前缘最近的压力面凹点组与中间压力面凹点组的间距B2为叶片沿型线方向上高度均值的15％，中间压力面凹点组与离叶片前缘最远的压力面凹点组的间距B3为叶片沿型线方向上高度均值的10％；压力面凹点组包括沿与叶片前缘倾角平行的直线布置的五个压力面凹点3-2A；叶片前缘到任一个压力面凹点的距离都在叶片型线长度的5％～30％范围内；压力面凹点呈直径D的半球形；压力面凹点组内相邻压力面凹点的中心距B1为叶片沿型线方向上高度均值的15％；各压力面凹点组内中间位置的压力面凹点中心位于叶片沿型线方向上高度均值的45％高度位置。

如图2和5所示，前轮毂位于叶轮叶道出口端设有前轮毂小翼5-A，后轮毂位于叶轮叶道出口端设有两个后轮毂小翼5-B；前轮毂小翼5-A的尾缘将叶道出口端弧线分成二等分，两个后轮毂小翼5-B的尾缘将叶道出口端弧线分成三等分；前轮毂小翼5-A和后轮毂小翼5-B的厚度均为叶片厚度的20％～30％，叶轮3上共有沿周向均布的五片叶片，因此，该型微型离心泵有五个叶道；前轮毂小翼5-A和后轮毂小翼5-B的出口角与叶片出口角相等；如图6和7所示，前轮毂小翼5-A的前缘与叶轮轴线的夹角为θ1，θ1取值为10°～40°，后轮毂小翼5-B的前缘与叶轮轴线的夹角为θ2，θ2取值为7°～30°；前轮毂小翼5-A的型线长度L1是叶片型线长度的10％，后轮毂小翼5-B的型线长度L2是叶片型线长度L的15％，前轮毂小翼5-A和后轮毂小翼5-B的高度均为H，H取值为叶片沿型线方向上高度均值的5％～10％。

该防血细胞损坏的微型离心血液泵的循环供血方法如下：

血液通过前端盖1的进口进入，叶轮的叶片将机械能转化为血液的机械能。血液有较大的粘性和血液中血细胞受力复杂时易破裂的特性，壁面切应力代表壁面处的摩擦损失，对于输送血液的泵的内流研究来说是个非常重要的参数。壁面剪切力大的地方也是应力集中地方，不仅容易造成血液中血细胞的破碎影响血液泵的运输效率，且容易引起局部边界层加厚并产生小尺寸涡流，小尺寸涡流经过发展容易变为大尺寸涡流，产生噪声。降低吸力面前缘集中分布的壁面剪切力，相应减弱流道内靠近叶片吸力面前缘的应力，能使得血液中血细胞在吸力面前缘处由较高的应力而造成的血细胞破碎的情况得到缓解。吸力面边界层比压力面边界层厚得多，导致吸力面流动相当复杂，而且随着流体从前缘到后缘的过程中，吸力面逆压梯度不断增大，导致吸力面边界层不断加厚，叶片吸力面前缘两个吸力面凹点组的存在引起局部边界层的变化，使得粘性较大的血液能够尽快脱离叶片表面，降低了吸力面上的边界层厚度。壁面剪切力在压力面和吸力面上的分布是不同的，分布在吸力面前缘的壁面剪切力极大值分布在叶片型线长度的5％～15％范围内，压力面前缘的壁面剪切力极大值分布在叶片型线长度的5％～30％范围内，并因为压力面上壁面剪切力分布范围更广，壁面剪切力相对吸力面靠后，在压力面前缘设置了三个压力面凹点组，减弱粘性血液与壁面的接触，进而降低了压力面上血液与壁面的粘性摩擦，改善了叶片压力面上的流动状态。可见，两个吸力面凹点组和三个压力面凹点组对造成血液中血细胞破损的壁面剪切力的分布进行了改善，改善涡流，抑制大尺寸涡流的产生，提前将未发展成熟的涡流破碎成小尺寸涡流，对于改善流动，减弱血细胞在流动中的受力复杂性，对于降低血细胞破损至关重要。

流动的血液在叶轮的叶道中机械能不断增加，前轮毂位于叶轮叶道出口端的前轮毂小翼5-A和后轮毂位于叶轮叶道出口端的两个后轮毂小翼5-B控制了由于流体的压力和离心力不平衡导致的径向流动，同时还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，进而控制粘性较大的血液在叶道上下底面的边界层厚度和涡的脱落频率，对大的通道涡进行切割、梳理成无数小涡流，并对流道内的粘性流体进行有效分离、导向，减小尾迹损失和涡流噪声。

经叶轮的离心作用，将血液旋转出叶轮。血液进一步进入蜗壳，变截面的蜗壳此时充当了无叶扩压段的作用，将血液中的部分动能进一步转化为势能，然后由蜗壳出口输出。

Claims (1)

1.一种防血细胞损坏的微型离心血液泵，包括前端盖、后端盖和叶轮；叶轮与前端盖、后端盖同轴，由电机驱动；其特征在于：叶轮上的叶片吸力面前缘设有沿叶片型线间距b2布置的两个吸力面凹点组，b2为叶片沿型线方向上高度均值的15%～18%；所述的吸力面凹点组包括沿与叶片前缘倾角平行的直线布置的五个吸力面凹点；叶片前缘倾角为20°～30°；叶片前缘到任一个吸力面凹点的距离都在叶片型线长度的5%～15%范围内；吸力面凹点呈直径D的半球形，D取值为叶片平均厚度的5%～10%；吸力面凹点组内相邻吸力面凹点的中心距为叶片沿型线方向上高度均值的14%～16%，离叶片前缘较近的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心位于叶片沿型线方向上高度均值的一半高度位置；离叶片前缘较远的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心高度比离叶片前缘较近的吸力面凹点组内中间位置的吸力面凹点中心高度高，差值为叶片沿型线方向上高度均值的10%～14%；

叶轮上的叶片压力面前缘设有沿叶片型线间距布置的三个压力面凹点组，叶片前缘与离叶片前缘最近的压力面凹点组的间距为叶片沿型线方向上高度均值的4%～6%，离叶片前缘最近的压力面凹点组与中间压力面凹点组的间距为叶片沿型线方向上高度均值的14%～16%，中间压力面凹点组与离叶片前缘最远的压力面凹点组的间距为叶片沿型线方向上高度均值的9%～11%；所述的压力面凹点组包括沿与叶片前缘倾角平行的直线布置的五个压力面凹点；叶片前缘到任一个压力面凹点的距离都在叶片型线长度的5%～30%范围内；压力面凹点呈直径D的半球形；压力面凹点组内相邻压力面凹点的中心距为叶片沿型线方向上高度均值的14%～16%；各压力面凹点组内中间位置的压力面凹点中心位于叶片沿型线方向上高度均值的45%高度位置；

前轮毂位于叶轮叶道出口端设有前轮毂小翼，后轮毂位于叶轮叶道出口端设有两个后轮毂小翼；前轮毂小翼的尾缘将叶道出口端弧线分成二等分，两个后轮毂小翼的尾缘将叶道出口端弧线分成三等分；前轮毂小翼和后轮毂小翼的厚度均为叶片厚度的20%～30%；前轮毂小翼和后轮毂小翼的出口角与叶片出口角相等；前轮毂小翼的前缘与叶轮轴线的夹角为10°～40°，后轮毂小翼前缘与叶轮轴线的夹角为7°～30°；前轮毂小翼的型线长度是叶片型线长度的10%，后轮毂小翼的型线长度是叶片型线长度的15%，前轮毂小翼和后轮毂小翼的高度均为H，H取值为叶片沿型线方向上高度均值的5%～10%；

所述的前端盖和后端盖之间设置垫片，且前端盖和后端盖通过螺栓连接；所述的叶轮上共有沿周向均布的5～8片叶片。

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