（机械工程专业论文）一种轴流式磁悬浮血泵的结构设计及溶血预测.pdf

中文摘要 心衰是目前人类面临的丰要心血管疾病之一，心脏移植虽然能有效治疗心 衰，但供体缺乏。轴流式磁悬浮血泵作为心脏移植的替代品，能有效缓解心脏 供体匮乏的问题。由于采用磁力使叶轮转子悬浮在泵体内，它具有无摩擦、无 接触、无需润滑、能耗低、寿命长等优点。且其外形为管状，更适合植入人体， 是目前血泵研究的热点之一。 血泵叶轮的稳定悬浮，是其正常、安全工作的前提，而叶轮结构直接影响 着血泵流体动力学特性，是血泵满足人体牛理需求的最基本条件。因此，磁力 支承和叶轮结构是目前国内外轴流式磁悬浮血泵的半要研究内容。 论文在归纳总结国内外血泵的研究基础上，设计了轴流式磁悬浮血泵的流 道结构、磁力支承结构、位置检测结构，优化了叶轮结构，并提出了一种轴流 式磁悬浮血泵的整体结构。 基于a n s y s 分析软件，设计了轴向永磁轴承和径向永磁偏置轴承的结构， 通过优化布置磁路，最终使得小尺寸结构的血泵能够承受较大轴向载荷。 结合人体生理需求，设计了叶轮结构，采用f l u e n t 软件对血泵的泵腔流道 进行流体仿真分析，讨论了叶片厚度、叶片高度、叶片进出口角度以及前、后 导叶轮尺寸与血泵流体特性的关系，建立了轴流式磁悬浮血泵的溶血模型，并 采用粒子追踪法对所设计的血泵进行了溶血预测。 关键词：血泵，轴流式，磁悬浮，溶血预测 a b s t r a c t h e a r tf a i l u r ei 8o n eo ft h em a j o rc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e st oh u m a nn o w a d a y s h e a r tt r a n s p l a n t a t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yi nt h et r e a t m e n to fh e a r tf a i l u r e ，b u tt h e s h o r t a g el i e si nt h el a c ko fd o n o r s a x i a lf l o wm a g i e vb l o o dp u m p ，a sa na l t e r n a t i v e t oh e a r tt r a n s p l a n t a t i o n ，c a l le f f e c t i v e l ya l l e v i a t et h i ss h o r t a g e i ta d o p t sm a g n e t i c f o r c et os u s p e n dt h ei m p e l l e rr o t o r s ot h ep u m ph a ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha sn o f r i c t i o n ，n oc o n t a c t ，n ol u b r i c a t i o ni nb l o o dp u m p ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n d l o n g e rl i f e t i m e a n dt h et u b u l a rs h a p ei sm o r es u i t a b l ef o ri m p l a n t a t i o no fh u m a n ，a l l o ft h e s em a k ea x i a lf l o wm a g l e vb l o o dp u m pb e c o m ei m p o r t a n tr e s e a r c hh o ts p o t t h es t a b l el e v i t a t i o no ft h eb l o o dp u m pi m p e l l e ri sap r e m i s et ow o r ks a f e l ya n d n o r m a l l y a n di m p e l l e rs t r u c t u r ea f f e c t sb l o o dp u m p sf l u i dd y n a m i c sd i r e c t l y , a n di t i st h em o s tb a s i cc o n d i t i o nf o rt h eb l o o dp u m pt om e e th u m a np h y s i o l o g i c a ln e e d s t h e r e f o r e ，t h es t r u c t u r eo fm a g n e t i cb e a r i n ga n dt h ei m p e l l e ri st h em a i nr e s e a r c h c o n t e n to fa x i a lf l o wm a g l e vb l o o dp u m p o nt h eb a s i so fs u m m a r ya n dc o n c l u s i o nt od o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h e s ， t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni sa d o p t e dt od e s i g na x i a lf l o wm a g l e vb l o o dp u m p s f l o ws t r u c t u r e ，m a g n e t i cb e a r i n gs t r u c t u r e ，a n dp o s i t i o nm o n i t o r i n gs t r u c t u r e ，a n dt o o p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h ei m p e l l e r t h e n ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fa na x i a lf l o w m a g l e vb l o o dp u m ph a sb e e nd e s i g n e d b y t h e1 1 8 0o fa n s y ss o f t w a r e ，t h ea x i a lp e r m a n e n tm a g n e t i cb e a r i n ga n dr a d i a l p e r m a n e n tm a g n e tb i a s e db e a r i n gh a v eb e e nd e s i g n e d t h ea r r a n g e m e n to ft h e m a g n e t i cc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e dr a f i o n a l l y w h i c hm a k e st h es m a l ls i z eb l o o d p u m p c a nw i t h s t a n dg r e a t e ra x i a ll o a df i n a l l y c o m b i n e dw i t hh u m a np h y s i o l o g i c a ln e e d s ，t h es t r u c t u r eo ft h ei m p e l l e rh a s b e e nd e s i g n e d f l u e n ts o f t w a r ei sa d o p t e dt om a k ef l u i ds i m u l a t i o na n a l y s i so f b l o o d p u m pc h a m b e r t h e n ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nb l o o dp u m p sf l u i dp r o p e r t i e sa n d b l a d et h i c k n e s s ，b l a d eh e i g h t ，b l a d ei m p o r ta n de x p o r ta n g u l a ra n dt h ef r o n ta n dr e a l g u i d es i z ea r ed i s c u s s e d t h eh e m o l y s i s m o d e lo ft h ea x i a lb l o o dp u m ph a sb e e nb u i l t p a r t i c l et r a c k i n gm e t h o di su s e dt og e tb l o o dp u m p sh e m o l y s i sp r e d i c t i o n k e yw o r d s ：b l o o dp u m p ，a x i a lf l o w , m a g n e t i cs u s p e n s i o n ，h e m o l y s i sp r e d i c t i o n 武汉理t 人学硕l ：学位论文 1 1 引言 第一章绪论 据统计，全球每年新增5 0 0 0 万心脏衰竭( 简称心衰) 忠者，其中1 0 0 0 万 患者因此而死亡【l 】。目前，我国心衰忠者逐年增多，已超过1 0 0 0 万。治疗心衰 半要有心脏移植、人工脏器替代等。其中，心脏移植是最有效的治疗方式，但 心脏供体严重缺乏。据统计，美国每年大约新增心脏病患者4 0 0 0 0 名，但能进 行心脏移植手术的仅有2 3 0 0 余人。由此可见，心脏移植供体的严重缺乏是阻碍 心衰患者延续牛命的主要问题。 人工心脏泵，又称血泵，是指用机械装置暂时或永久性替代病人心脏，维 持血液循环的装置，不仅可以在等待心脏移植时作为过渡装置，而且能在一定 程度上恢复病人的心脏功能，或者完全替代病人心脏【2 1 。 目前，血泵已发展到第三代磁力支承血泵，有离心式和轴流式两种【3 1 。 相比于传统机械支承的旋转血泵，磁悬浮血泵依靠磁力使叶轮转子悬浮在泵体 内，具有无摩擦、无机械接触、无需润滑、能耗低、寿命长等特点【5 1 。外形为管 状且尺寸较小，更适合植入人体。因此，轴流式磁悬浮血泵已成为人工心脏领 域的重要研究方向。 为此，本文从轴流式磁悬浮血泵整体结构入手，设计磁力支承结构和叶轮 结构，通过流体仿真验证所设计血泵的性能和溶血性，为适合中国人体型、小 型植入式血泵尽早问世奠定理论基础。 1 2 轴流式磁悬浮血泵的工作原理及特点 心衰是目前人类面临的主要心血管疾病之一，它是由于心脏收缩和舒张能 力低下，导致心脏泵血不足，无法满足身体需要的临床综合征，严重危害患者 的生命健康。血泵作为自然心脏的替代装置，可维持人体血液循环，挽救患者 生命。从最早的人工心肺机到现在的可植入式血泵，血泵的发展经历了几个阶 段，如表1 1 所示【6 】【7 】f 引。 武汉理工人学硕：卜学位论文 表1 - 血泵的发展史 类别早期装置第一代第二代 第三代 名称人工心肺机容积式泵叶轮式血泵磁悬浮血泵 ，3 囊。| i ：，_ j 蹙。一溪 畿 ；嘲战， 图例 挚蹶对 1 ) 体外循环1 ) 产生搏动流1 ) 非搏动流1 ) 轴承无接触 2 ) 体积庞大2 ) 体积大2 ) 体积小2 ) 无润滑 特点 3 ) 对血液破坏3 ) 结构复杂3 ) 接触轴承3 ) 减少溶血、血 大4 ) 能耗高4 ) 功耗低栓 经过多年的研究，目前轴流式血泵已发展到第三代轴流式磁悬浮血泵， 它的整体结构如图1 1 所示，主要包括以下几部分：外壳、驱动电机、叶轮转子、 磁力支承、引出线等。其中叶轮转子一般分为前导叶轮、叶轮和后导叶轮三部 分。为减小血泵尺寸，电机转子与磁力轴承的转子一般与叶轮转子集成在一起。 外壳驱动电机弓l 出线 血流 入口 前导叶轮叶轮转子 磁力支承 后导叶轮 图1 1 轴流式磁悬浮血泵简图 2 血流 武汉理t 人学硕i j 学何论文 a ) 轴流式磁悬浮血泵的放置位置b ) 轴流式磁悬浮血泵系统 图1 2 轴流式磁悬浮血泵的安置位置 轴流式磁悬浮血泵在体内的放置位置如图1 2a ) 所示，血泵的入口端与左 心室相连，一般连接于心尖处，出口端通过导管与主动脉连接。血泵工作时， 血液从左心室进入血泵，流经前导叶轮处，血流中的圆周速度分量被消除，使 血液沿血泵的轴线方向进入叶轮区域。电机产生旋转磁场，驱动转子旋转，从 而带动与电机转子固连的叶轮转动，产生轴向推力，增加血液流速，使血液流 入后导叶轮区域。后导叶轮的扭曲叶片使血液在此区域减小圆周速度分量，血 流速度稍稍降低，并将一部分血流动能转化成势能，增大压力，使血液以一定 的压力和流量进入主动脉，从而将血液泵送到全身，完成血液循环。轴流式血 泵的磁力支承分为径向磁力轴承和轴向磁力轴承，分别控制叶轮转子的径向和 轴向位移，使叶轮转子不与流道内壁接触，并且稳定悬浮。整体装置的控制器 位于人体外部( 图1 2b ) ) ，通过穿透皮肤的导线与血泵相连，用外部电池组供 电。电池组和控制器可置于腰带上，方便患者随身携带。 轴流式磁悬浮血泵具有体积小、功耗低、适于移植的特点，在引入磁力支 承技术后，大大提高了血泵的安全性与可靠性，其特点主要如下： ( 1 ) 可靠性高，易维护，无需润滑。血泵的叶轮转子依靠磁力悬浮于流道 内，转子与定子之间无直接接触，因此不需要传统接触式机械轴承所必须的润 滑，也不存在机械磨损，寿命长，可靠性比机械轴承有很大提高f 9 】。 ( 2 ) 刚度阻尼可控，动态性能好。由于血泵采用磁力支承，其刚度和阻尼 轴麓：、，、气张 武汉理工人学硕士学位论文 由控制系统决定，通过改变控制参数可使磁力支承的刚度和阻尼在一定范围内 可调可控，从而使整个血泵装置具有较好的动态性能 9 1 。 ( 3 ) 生理相容性好。血液流经血泵时，血细胞会受到不同程度的破坏，造 成溶血；而流道中流动滞止区会使血小板凝聚导致血栓。在引入磁力支承后， 去掉了润滑结构，减少血栓形成区，缩短血液细胞在泵体内的停留时间，降低 了血栓和溶血的概率。 ( 4 ) 血液轴向流出，尺寸小，外形和人体内腔管相仿，适于移植。在相同 压力差下流量较大，需要高转速来提供较大的出口压力。同时叶轮结构要求较 高，以减少对血液的破坏【8 】。 1 3 轴流式磁悬浮血泵的研究现状 目前，国外轴流式血泵主要有以下几种装置：h e m o p u m p 、m i c r o m e dd e b a k e y v a d 、j a r v i k2 0 0 0 、h e a r t m a t ei i 、s t r e a m l i n e r 、柏林i n c o r 和i n t e c 等 【i o 】【l i 】f 1 2 】【1 4 】【1 5 】。其中，美国匹兹堡大学设计研发了s t r e a m l i n e r 泵( 图1 3 ) ，其叶 轮的轴心处安放了磁力轴承，在八倍的重力加速度下能稳定运行。柏林心脏中 心研究小组研制了i n c o r 轴流泵( 图1 4 ) ，该血泵采用磁力支承，磁力轴承和 位置传感器布置在叶轮两端，分别置于前后导叶轮轮毂内，轴向丰动控制，叶 轮旋转时产生的轴向干扰力可得到有效抑制。但这种结构在叶轮两端留有间隙， 会导致血液回流，容易对血细胞产生破坏。 图1 - 3s t r e a m l i n e r 叶轮图1 - 4i n c o rp u m p 国内没有轴流式血泵的产品，大多在研究阶段。江苏大学的钱坤喜教授设 计的江大号和江大血泵【1 9 】，以及中国医学科学院的李国荣等设计的“动力 性主动脉瓣 2 0 1 1 2 1 】都是串联式( 串联于左心室主动脉) 的轴流式血泵。江 大号血泵( 图1 5 ) 是一种微型轴流泵，与心脏瓣膜的形状类似，可将外壳缝 4 武汉理t 人学硕l ：学位论文 在瓣膜的位置。该泵采用永磁轴承支承，减少控制环节的功耗。李国荣的动力 性半动脉瓣转子叶轮体支承部分采用浸入在血液中的滑动轴承，对血液有 一定的破坏。山东大学刘淑琴教授设计的轴流泵属于并联式轴流血泵【5 0 1 ( 在心 脏外侧连接心尖和丰动脉的血泵) 。其支承方式类似i n c o r 泵( 图1 6 ) ，入口 端采用丰动磁力轴承提供轴向力，径向力由两对永磁轴承提供，这种结构同样 在叶轮的两端留有间隙。 1 子 图1 5 江大i 号血泵图1 6 山东大学血泵 叶轮叶片的形状直接影响着血泵的溶血性能，对于转速较高的轴流式血泵， 设计符合流体动力学的转子叶片，就显得尤为重要。在叶轮的设计方面，国外 采用传统无次因量设计法，将电机转矩、角动量定理和欧拉方程得出的相关参 数代入到无次因的扬程系数、流量系数、比转速、比半径中，和已有的泵类尺 寸数据进行类比后得出初步设计尺寸【3 2 1 。国内有学者提出了其它的设计方法。 钱坤喜教授提出了流线型设计法，把流体看成不同的流线和流面，使流线和流 面间的液体流动不受扰动，保证处处为层流【1 9 】。王鹰鹏等根据传统轴流泵的设 计方法，结合人体生理要求，通过水力计算，判断血泵扬程范围，并用迭代逼 近法获得了血泵的叶轮结构尺寸【2 1 1 。中南大学的云忠等根据血泵的进、出口速 度三角形和欧拉功设计了螺旋叶片的型线m l 。 叶轮的流道部分一般有两种结构：内流道式( 图1 7 ) 和外流道式( 图1 8 ) 。 内流道式叶轮主要是出于减小磁力轴承气隙的考虑，能够在相同结构尺寸下产 生较大的支承力。但相应的磁力轴承转子与电机转子均置于转子外缘，增大了 转子的不平衡量；同时叶轮转子与泵腔内壁之间同样留有间隙，需要对流道进 行额外设计使血液从出口通过间隙回流到入口，不便于设计的同时也变相的增 加了血液与材料的接触面积，增大了溶血和血栓的几率。所以大部分轴流式血 5 武汉理工大学硕十学位论文 图1 7 内流道式叶轮图1 8 外流道式叶轮 血泵叶轮旋转时都会对血细胞造成不同程度的破坏，导致溶血和血栓。溶 血是指红细胞在流动过程中被剪切力等外力破坏后，将血红蛋白释放到血浆中； 血栓是指被激活的血小板在血液接触面上聚集、沉淀的现象。溶血或血栓都会 导致忠者血液循环不畅，造成生理紊乱现象。所以，它们都是评价血泵人体生 理性能的重要指标。随着计算机技术的发展，在叶轮式血泵的结构设计和优化 中越来越多的采用计算流体力学设计( c f d ) 方法，可省去大量的样机试制和测 试实验时间，降低了成本，并且可以得到血流的普遍规律和变化趋势，在初步 设计阶段拥有巨大的优势【2 5 】【2 6 】。采用c f d 方法可得到流场中的应力分布，分析 血泵流量和压力的关系，显示流道内血液流动状态，追踪血液细胞流动轨迹进 行溶血预测等。国内外的诸多学者都应用c f d 对轴流式血泵进行研究和分析。 国外，2 0 0 5 年新加坡南洋理工大学的c h a n 研究了轴流式血泵的血流特性， 并基于c f d 仿真分析，得到部分叶片参数与血泵性能的关系，并优化了叶轮轮 毂结构【2 9 】( 图1 9 ) 。2 0 0 9 年澳大利亚的m a t t h e w 利用c f d 软件研究了轴流式血 泵叶轮结构参数对流量和压力的影响，同时讨论了叶轮的桨距角对血流的影响 o o 。2 0 1 0 年美国弗吉尼亚大学的p a u la l l a i r e 提出了一种轴流式磁悬浮血泵，用 c f d 进行了流体分析，并进行了一些动物试验。弗吉尼亚人工心脏研究所对他 们设计的轴流式血泵内部流场进行了c f d 分析，重点分析了后导叶轮的结构和 叶片数对血泵压力输出和效率的影响，并给出血泵的溶血指标。在此基础上设 计了一种儿童用的左心室辅助血泵，并做了c f d 分析【3 l 】【3 2 1 【3 5 】【3 6 】。a m yl t h r o c k r n o r t o n 等人对一种轴流式血泵进行了流体分析和溶血预测，并设计了实 验装置【3 7 1 。 翟 鲨一一 肭嚣童三睾 武汉理t 人学硕l ：学1 奇论文 图1 - 9 南洋理工大学设计的轴流泵叶轮 国内，2 0 0 2 年江苏大学钱坤喜设计了一款无源磁悬浮血泵，之后对直叶片 和流线型叶片做了c f d 仿真，分析了血泵内部流场和切应力分布以及溶血。2 0 0 5 年，蔺嫦燕等对x z i i 型轴流血泵进行了流场分析，发现现有结构的剪切应力过 大，修改了整体叶轮结构。2 0 0 7 年，王鹰鹏等对轴流式血泵叶轮叶片数进行了 c f d 分析，认为现有结构下，4 叶片数最好；同年，他们对轴流泵后导叶轮进行 了分析，指出后导叶轮的结构对提高输出压力有很大影响【3 8 】1 3 9 【4 0 1 。燕山大学对 轴流式血泵做了流场和输出特性的分析【4 5 】【4 6 】。2 0 0 8 年，吴广辉、蔺嫦燕等运用 c f d 方法对自制螺旋血泵和一种轴流式血泵进行分析对比，并与体外实验结果 进行对照。同年，李国荣等通过样机实验对全人工轴流式血泵进行了测试，实 验结果显示所设计的轴流泵可满足人体基本生理要求。2 0 1 0 年山东大学对轴流 式血泵的传感器进行了设计和选型，并通过有限元方法，分析了径向永磁轴承 磁场的空间分布，优化了霍尔传感器的放置方式和位置，并在此基础上提出了 一种轴流式血泵i 剐。 1 4 存在的问题及课题提出 目前，轴流式磁悬浮血泵的结构研究主要可以归结为两个方面：磁力支承 系统和叶轮流道。在国外，磁力支承系统应用到血泵已有2 0 多年的历史，并且 已有多种产品，其中一部分还进行了临床试验。而国内的轴流式磁悬浮血泵还 7 武汉理t 大学硕l j 学位论文 处在设计、试验和样机试制阶段，临床应用的不多。纵观国内外磁力支承系统 在轴流式血泵中的应用，早期丰要都是纯电磁力支承，即轴向和径向都用牛动 磁力轴承支承，这就导致了轴向牛动磁力轴承处要留有悬浮气隙，所以早期的 轴流式磁悬浮血泵的叶轮一般都与前、后导叶轮分开。之后有学者将动压轴承 概念引入到血泵中，即利用血液自身的流体特性充当滑动轴承中的润滑液，在 叶轮旋转时提供动压支承。这种结构需要在支承结构处增加螺旋槽结构，主要 提供径向支承力，在叶轮高速旋转时会对血液细胞产牛较大破坏，并且支承处 的间隙很小，也存在血液滞留问题。由于永磁轴承无能耗、结构小，永磁已被 广泛应用于磁力支承结构中。国内外的学者半要采用混合支承方式对叶轮转子 进行支承，即轴向或径向采用永磁支承，其它方向为电磁支承。目前，磁力支 承系统结构设计主要以如何降低功耗，如何减小尺寸和对血液破坏为出发点， 这也是本文设计轴流式血泵磁力支承结构的丰要目的o 叶轮设计方面，主要有两大问题：叶轮设计方法以及运用c f d 技术对所设 计的叶轮结构进行流体力学分析。在叶轮设计方法方面，国内外学者从最基本 的流场理论出发，结合相应的经验公式来进行设计。国外更趋向于通过实验来 确定叶轮尺寸，再通过类比来设计其它尺寸的叶轮；国内则趋向于理论公式推 导。鉴于轴流式磁悬浮血泵的结构尺寸小，传统的轴流泵设计方法不适用，但 可以根据基本的理论和公式，针对血泵的要求来进行设计。在c f d 分析方面， 国内外近年来均有研究，主要对轴流式血泵的进出口压差、流量与转速关系、 叶片数量等进行了分析，但对于叶片叶型、叶片厚度、间隙值、轮毂形状等的 分析较少。同时，轴流式血泵的溶血性能是一个重要指标，不同结构会有不同 的溶血性能。 在设计磁力支承结构和叶轮结构时，悬浮气隙要考虑到叶轮的结构，而叶 片的高度也要给磁力支承留出足够的空间，悬浮力要能满足叶轮的稳定悬浮。 所以，叶轮结构和磁力支承结构是相互影响的。 为此，本文提出“一种轴流式磁悬浮血泵的结构设计及溶血预测”，优化叶 轮结构和磁力支承磁路，采用c f d 仿真，对轴流式磁悬浮血泵的流体力学特性 进行分析，并预测其溶血性能，为人工心脏的研究提供设计依据。 8 武汉理t 人学硕i ：学位论文 1 5 论文的课题支撑及研究工作 1 5 1 本论文课题支撑项目 本论文得到以下科研项目的支撑： ( 1 ) 武汉市青年科技晨光计划； 项目编号：2 0 1 1 5 0 4 3 1 0 8 8 ，“磁悬浮人工血泵支承特性及模型研究。 ( 2 ) 武汉理工大学自主创新研究基金项目； 项目编号：2 0 1 0 z y - j d 0 2 8 ，“磁悬浮人工心脏泵支承特性研究”。 1 5 2 论文的内容及安排 轴流式磁悬浮血泵对治疗心衰病人甚至挽救病人牛命具有重要作用。论文 针对存在的问题，在归纳、总结国内外研究的基础上，提出了一种轴流式磁悬 浮血泵的设计方法，采用a n s y s 分析软件，优化了轴流式磁悬浮血泵的支承结 构，建立了轴流式磁悬浮血泵的溶血模型，讨论了叶片厚度、高度、进出口角 度与血泵流体特性之间的关系。论文内容安排如下： 第一章：简述论文的研究目的和意义。阐述了轴流式磁悬浮血泵的原理和 特点，以及国内外叶轮设计、应用产品和c f d 仿真等方面的研究现状。说明本 论文的课题支承以及主要的研究工作。 第二章：设计了轴流式磁悬浮血泵的磁力支承结构、位置检测结构、流道 结构，提出了一种轴流式磁悬浮血泵的整体结构。并根据人体生理需求设计了 叶轮的具体结构。 第三章：设计轴向永磁轴承结构，推导出径向永磁偏置轴承的设计公式， 并用a n s y s 软件优化了轴向永磁轴承和径向永磁偏置轴承的磁场和受力，以及 整体磁力支承结构的受力变化趋势。 第四章：运用f l u e n t 软件对不同的叶片厚度、叶片高度、叶片进出i ：1 角度 进行分析，选择合理的叶轮结构。对整体流道进行流体仿真，分析不同转速对 轴流式磁悬浮血泵流体性能的影响。建立溶血预测模型，运用粒子追踪法对血 泵进行溶血预测。 第五章：对全文的研究工作进行总结，并对更进一步的研究提出自己的看 法。 。 9 武汉理t 人学硕i j 学位论文 图1 1 0 论文的内容简图 1 0 武汉理t 人学硕i ：学位论文 第二章轴流式磁悬浮血泵的总体结构 为适应人体需要和便于移植，轴流式磁悬浮血泵要求轴向尺寸不能太长， 径向尺寸要小，整体结构紧凑，且外形和人体内腔管相仿：而在相同瞌力差下 流量较大，需要高转速来提供较大的出口压力。因此，研究轴流式磁悬浮血泵 的总体结构，为论文进一步研究提供指导。 轴流式磁悬浮血泵的具体结构如图2 1 所示，包括：前外壳l 、霍尔传感器 2 、前径向磁力轴承定子3 、泵腔流道4 、电机定子5 、轴向磁力轴承定子6 、后 径向磁力轴承定子7 、后外壳8 、密封圈9 、后导叶轮1 0 、后径向磁力轴承转子 l l 、轴向磁力轴承转子1 2 、电机转子1 3 、叶轮1 4 、前径向磁力轴承转子1 5 、转 轴1 6 、前导叶轮1 7 ，左端为血流入口，右端为血流出口。 图2 1 轴流式磁悬浮血泵结构 整体结构可以分为三大部分：流体部件、支承部件和驱动部件。流体部件 包括流道泵腔、前导叶轮、叶轮和后导叶轮：支承部件由轴向磁力轴承、径向 磁力轴承、霍尔传感器构成；驱动部件则是指永磁无刷电机。其中叶轮、前导 叶轮轮毂、后导叶轮轮毂构成叶轮转子。电机转子、径向磁力轴承转子和轴向 磁力轴承转子与转轴过盈配合在一起，一起置于叶轮转子内，这样电机驱动转 子旋转时也带动叶轮转动。前、后导叶轮叶片与流道泵腔内壁固连，与叶轮轮 武汉理工人学硕+ 卜学位论文 毂留有一定间隙，起到导流和限位作用的同时又可以在叶轮静止时起到辅助支 承的作用。叶轮转子的位置通过霍尔传感器检测，并通过外部控制系统来调节。 泵中各组装结构之间都有密封圈密封，采用钛合金为丰要制作材料。 图2 - 2 轴流式磁悬浮血泵效果图 2 1 轴流式磁悬浮血泵的支承部件 2 1 1 轴流式磁悬浮血泵的支承方式 目前常见的磁力轴承主要有三种结构形式：主动磁力轴承、被动磁力轴承 和混合磁力轴承【，】。 主动磁力轴承利用电磁力使转子悬浮，据控制系统参数的不同，轴承的刚 度阻尼可以改变。被动磁力轴承有超导式和永磁式，永磁式应用最广，其特点 是：无主动控制、尺寸小、矫顽力高；永磁轴承的承载力和刚度可以通过多对 磁环叠加的方法提高，特别适合较大气隙场合的应用；要保证永磁轴承系统稳 定悬浮，需要至少在一个方向上引入外力。混合磁力轴承，又叫永磁偏置轴承， 是利用永磁体的磁场替代电磁铁的静态偏置磁场，可以有效减少安匝数和功放 的功耗，缩小了结构尺寸，并可以产生可控力对永磁偏置轴承控制【9 】。 轴流式磁悬浮血泵的支承结构，要考虑到叶轮转子的尺寸需求。首先，叶 轮叶片需要有一定的高度( 叶轮叶片外缘到叶轮轮毂的尺寸) 才能在旋转时产 生足够的推进力推动血流；而叶轮外缘与流道泵腔内壁之间也要留有一定的间 1 2 武汉理t 人学硕i ：学何论文 隙；其次，作为包裹转子的叶轮轮毂和起到血流通道作用的流道泵腔腔壁也需 要一定的厚度才能达到足够的强度，满足装配的需要。综合以上因素，轴流式 磁悬浮血泵的支承部分悬浮气隙较大。根据电磁轴承悬浮力公式( 2 1 ) 可知： 在电磁轴承的结构尺寸一定时，产牛的悬浮力大小与气隙长度的平方成反比， 与电流的平方成正比。 i 2 f = 七j ( 2 1 ) 工 式中， ，电磁铁产生的吸力 七系数，与电磁轴承的结构有关 f 线圈电流 石气隙长度 轴流式磁悬浮血泵的支承部分中单边悬浮气隙会达到2 m m 左右，较之常规 电磁轴承的悬浮气隙( 0 5 m m 以下) 大很多，而大气隙又会导致磁路中漏磁现 象加剧。所以如果采用纯电磁轴承支承，在结构尺寸受限制的情况下，要产生 较大的悬浮力就要给线圈通入较大的电流，增加了轴流泵的功耗和发热，不便 采用。 针对以上要求，以及各种磁力轴承的特点，本文选择永磁电磁混合式 支承( 如图2 3 所示) ：轴向采用永磁轴承，径向采用永磁偏置轴承。这样可以 减小磁力支承结构的尺寸和功耗，并且能对转子进行主动控制。 前径 前径向 图2 3 轴流式磁悬浮血泵的支承和驱动简图 1 3 武汉理下大学硕i j 学位论文 2 1 2 轴流式磁悬浮血泵的位置检测 轴流式磁悬浮血泵采用非接触式位移传感器进行位置检测。常用的非接触 式位移传感器有电容式、电涡流式和霍尔效应式传感器等。 电容传感器有一个固定极板和一个移动极板，它们之间发生相对位移时， 电容发牛变化，从而检测出相对位移，比较适用于直线位移测量。但轴流式血 泵的可动板是旋转轴，并不适用。电涡流传感器的应用广泛，但传感器的探头 有一定尺寸，需要占用较大的安放空间。霍尔传感器利用霍尔效应制成，相比 于电涡流传感器，它有如下优点： ( 1 ) 霍尔传感器不需要提供额外的外接电源。当交变磁场经过霍尔传感器 时，可产牛电压脉冲输出，激励磁场的场强决定输出脉冲的幅度； ( 2 ) 霍尔传感器信号探测部分体积更小，重量更轻，功耗小； 除此之外，霍尔传感器还有频率高、精度高、线性度好、工作温度范围宽 等特点。轴流式磁悬浮血泵选择位移传感器的首要条件是尺寸小、能耗低，而 常用的电涡流位移传感器相对于轴流泵而言，探头尺寸大，导线线径粗，不便 于在小尺寸轴流式磁悬浮血泵中使用。所以本文选择霍尔传感器对轴流式磁悬 浮血泵进行位置检测。 霍尔传感器的放置位置如图2 - 4 所示。产生磁场源的永磁体分别埋置在前、 后导叶轮的轮毂内，霍尔传感器贴片则布置在前、后导叶轮的叶片内。转子位 置变动时，霍尔传感器检测到的磁场强度发生变化，产生相应的脉冲信号，从 而检测出转子位移变化。 图2 - 4 霍尔传感器放置位置简图 2 2 轴流式磁悬浮血泵的驱动部件 器 轴流式磁悬浮血泵的驱动力由永磁无刷电机产生。目前，永磁无刷电机已 1 4 武汉理t 人学硕l ：学位论文 经在电动汽车、航空航天、压缩机等领域有了普遍运用。永磁尢刷电机转子采 用稀土永磁铁，矫顽力高、剩磁大，可在大气隙下产牛较大磁通，缩小转子尺 寸、减小转子转动惯量。同时，永磁无刷电机通过改变控制方法可以实现恒功 率运行以及变频调速。所以本文的轴流式磁悬浮血泵采用永磁无刷电机来产牛 所需的旋转驱动磁场。 2 3 轴流式磁悬浮血泵的流体部件 轴流式磁悬浮血泵的流体部件主要结构有四个：前导叶轮、叶轮、后导叶 轮、流道泵腔( 图2 5 ) 。其中，前导叶轮能消除血流中的圆周速度分量，使血 液沿血泵的轴线方向进入叶轮。虽然有的学者认为加入前导叶轮结构会增大血 液与机械结构的接触面积，增加溶血的几率，但通过合理的叶片设计与材料的 选择，可以将这方面的影响最小化，从而使前导叶轮起到更好的导流作用而将 其对血液细胞的伤害降到最低。 叶轮是轴流式血泵的核心部件，叶轮的轮毂直径、叶弦长度、叶片厚度、 叶片形状直接影响血泵的流体动力学特性，叶轮的比转速也影响着血泵的流量 和扬程。可以说叶轮的好坏直接决定着轴流式血泵的性能优劣。目前叶轮的叶 片一般为螺旋状，并且叶片角度随叶轮轴向长度变化，这样可以减小对血细胞 的破坏。 图2 5 轴流式磁悬浮血泵流体部分结构简图 后导叶轮的扭曲叶片使血液在此区域减小圆周速度分量，并起到减速增压 的作用，有的轴流式血泵就有两级后导叶轮。后导叶轮同样是螺旋形的扭曲叶 片，叶片入口角度与叶轮出口角度反向，出口角度则一般为9 0 。 轴流式血泵的流道泵腔由前、后导叶轮的轮毅、叶轮轮毂和泵腔内壁构成。 1 5 武汉理t 人学硕十学位论文 血流泵腔的尺寸影响着血流剪切应力的大小，丰要通过叶轮轮毂、叶片高度和 后导叶轮的扩散角来调节。 流道结构是轴流式磁悬浮血泵的关键部分，血泵的绝大多数牛理指标决定 于流道结构。下面对流道结构设计进行阐述。 2 3 1 轴流式血泵的基本方程与假设 轴流式磁悬浮血泵中血液的流动比较复杂，有轴向流动和圆周流动，是一 种复合运动。式( 2 2 ) 是用速度环量表示的轴流泵的基本方程，表示了液体运 动与叶轮对流体所做功的关系，是叶轮设计计算的依据。 坼= 西c o ( r 2 一r i ) - l g ( , 8 2 v t l - - u i v u l ) 式中， 日r 理论扬程 r 速度环量 ( 2 2 ) k 速度v 在速度u 方向的投影 叶轮设计时，一般对叶轮结构进行简化，这里提出如下假设【拍】： ( 1 ) 圆柱层无关性假设：将流道内的空间分为不同的圆柱面，这些圆柱面都以 泵的轴心为中心线，液体内质点在这些圆柱面上流动，不同圆柱面上质点的运 动互不影响，即液体质点在叶轮的流场中径向速度分量为零。 ( 2 ) 假设沿过流断面半径方向的速度环量和轴面速度分布均匀。 ( 3 ) 叶片数目较少。 ( 4 ) 翼型间相互影响不大。 ( 5 ) 假设单个翼型的绕流情况与叶栅翼型的绕流情况相同。 根据以上假设，叶轮内同一圆柱面上的流动没有径向速度分量，同一半径 处的所有液体质点都在同一圆柱面上流动。不同的半径，圆柱面不同，但不同 圆柱面上流体的计算方法相同。若叶片径向尺寸大，可以划分为多个圆柱流面，+ 叶片径向尺寸很小时，可降低圆柱流面的划分数量。根据假设( 5 ) ，设计时可 按单个翼型设计，然后加以必要的修正。 2 3 2 血泵叶轮设计 传统的轴流泵的水力设计先要确定泵的基本参数，一般泵的扬程、流量、 1 6 武汉理t 人学硕i j 学位论文 几何吸入高度是给定的，可以从这些已知量得到泵的比转速、轮毂比、叶片数 和叶片厚度；冉通过圆弧法或升力法取不同截面处的叶栅进行计算，从而得到 叶片尺寸。 但由于轴流式血泵体积小，传统的设计方法以及其中的经验公式并不完全 适用。这里采用传统轴流泵的部分设计方法进行设计。对于轴流式血泵，转速、 流量和进出口压差是给定的，根据成年人的心脏每搏输出量，本文所设计的轴 流式血泵转速为7 0 0 0 r p m ，进出i = 1 压差10 0 m m h g ，流量6 l m i n 。 1 叶轮部分尺寸设计 ( 1 ) 扬程估算 扬程是泵的设计依据，无论设计何种泵，都要先知道扬程。这里通过伯努 利方程和叶片速度三角形来取定轴流式磁悬浮血泵的扬程h 。根据 5 5 1 5 6 中的 伯努利方程： z l + 旦+ 盟= z ，+ 旦+ 一a 2 v 2 + 胡 y2 9 z 72 9 式中， 埘有效断面间的能量损失 ( 2 3 ) z 、z ，两个有效断面的几何中心的高度 ，血液重度 矶、p ：两个有效断面的几何中心的压力 v l 、1 ，：两个有效断面上的平均流速 o t 、口：两个有效断面上的功能修正系数 液体流动时，垂直于总流的横断面称为有效断面。上式中，若有电机做功， 则h = 一脯。进出口压差p ，一p 。、高度差z ：一z 均为已知，速度可根据流量和 速度三角形估算。流场中流体速度在有效断面上的分布一般是不均匀的，通常 引入动能修正系数a 。、口，并且一般情况下o t l = o r 2 。这里的伯努利方程没有考 虑额外的能量损失，所以可以得到的扬程h 为下限值。 叶片进出口速度三角形可以另一个确定条件，如下图所示。 1 7 武汉理t 大学硕l j 学位论文 a ) 进出口速度三角形b ) 直列叶栅简图 图2 - 6 叶片进出口速度三角形和叶栅简图 图中，q 、：为叶轮进出口处的相对速度；，。、，：为叶轮进出口处的绝对 速度；铭为叶轮的圆周速度( 叶轮进出口处圆周速度相等，”= 等) ；是叶 轮进口处绝对速度的圆周方向分量，取决于吸入室的结构，通常y 。，= 0 ；v 。2 是叶 轮出口处绝对速度圆周方向分量；，。是轴面速度。是进口安放角，卢：是出口 安放角。 从图中可知：a v “= 1 ，h 2 一y r u a v 。，则由相应公式可推导出条件二： 2 h 生( 2 4 ) g 从而得到扬程的上限。根据式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) ，再考虑泵的水力损失即 可取定扬程h 。 ( 2 ) 确定其它基本参数 在求得扬程之后，可根据下式求得比转速刀j ： 根据文献 5 5 】、【5 6 】求得比转速刀s ，由比转速选择轮毂比以i d ，其中，d 为 轮毂直径，d 为叶轮外缘直径。传统轴流泵在选择轮毂比时取值较低，但轴流 式磁悬浮血泵的叶轮受到磁力支承系统在结构上的限制，所以取值应该较大， 即接近于l 。 在确定了轮毂比之后，可根据磁力支承系统的结构来决定轮毂直径d 和叶 轮外缘直径d 。之后可由相关公式计算叶轮进口速度( 轴面速度) 。进u j 速 度y 啊取值偏大为好，得到的结果会更加满足条件。之后选择叶片数z 以及叶片 最大厚度，这里叶片数选择为4 片。 1 8 1i驯1； 武汉理t 人学硕l j 学何论文 ( 3 ) 确定叶弦长度， 传统的设计方法是根据叶栅疏密度和叶片间距，通过查表求得，但这种方 法对于比转速小的轴流式血泵不适合，求得的叶弦长度极短，使得叶片扭曲极 大。这里采用经验公式求取叶栅密度。 确定流量系数k n k q - - 普( 2 - 5 ) 一一3 k q - ( o 石卜o 舛，h 告) 2i 2 ( 2 “) 两种算法取结果较大的值作为k 口的值，通过比转速的另一种表达公式，可得扬 程系数的值： 刀，：2 1 9 厄矿- o ( 2 7 ) ( k 月) ；4 = 6 2 8 伍) 一0 0 3 ( 2 8 ) f = 粤 ( 2 9 ) f = 了 【z 一9 ) 由式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可得叶片弦长l 。 ( 4 ) 确定叶片进出1 3 角度及翼型安放角 叶片进出1 3 角度可由图2 - 9 所示的叶片进出1 3 速度三角形求得。由下式可求 得叶片的翼型安放角： p = 声m - i - 万- i - 0 2 ( f 1 2 一3 1 )( 2 1 0 ) 式中，艿是修正安放角时用来补偿的冲角，根据叶片泵设计手册，平板翼型修正 时，艿不大于8 0 。 ( 5 ) 确定翼型骨线及翼型加厚 翼型骨线可以直接选取相应的翼型来确定，翼型的加厚方式可以是等厚度 或者按一定规律加厚。叶轮的尺寸如表2 1 所示。 1 9 武汉理t 人学硕i ：学位论文 表2 1叶轮尺寸和相关数据表 项目数据 项目数据 叶片数z 4叶片进口安放角屈l5 0 弦长，8 3 m m 叶片出口安放角卢：6 2 0 轮毂直径d1 6 5 m m翼型安放角p 4 1 0 叶片外缘直径d 1 8 5 m m 设计扬程 4 m 叶片外缘与壁面单边最 大间隙 0 5 m m设计比转速，l ，9 0 2 后导叶轮设计 后导叶轮叶片进口角度决定于叶轮叶片出口角度，并且后导叶轮进口与叶 轮出口有一定间距。这个距离太小，则叶轮运转时不稳定；距离太大，则会使 泵的水力损失加剧。后导叶轮的叶片数可根据比转速确定，一般情况下比转速 高对应后导叶轮叶片少，比转速低对应后导叶轮叶片多，并且后导叶轮叶片数 量般和叶轮叶片数互为质数。后导叶轮为锥形时，锥角口应不大于8 0 ，如图 2 7 所示。图中d 为后导叶轮入口直径，d 为后导叶轮出口直径，l 为后导叶轮 轴向长度。 图2 7 后导叶轮流道简图 初步设计时取后导叶轮叶片数白为5 。 ( 1 ) 确定后导叶轮进口安放角口；和出口安放角口： 后导叶轮进口处的液流角： 武汉理t 人学硕l j 学位论文 式中， t g t z 3 = v ，m _ _ l l z 3 ( 2 1 1 ) ，后导叶轮进口轴面速度，脚，= 善，_ 是后导叶轮进口处的排挤系数， 3 初算时可以预先估计一个值： v 。，后导叶轮进口处液体绝对速度的圆周分量，一般后导叶轮进口边上计算 截面半径等于叶轮相应截面半径，所以屹3 = v u 2 ； v 。后导叶轮进口的轴面速度，即叶轮出口的轴面速度； 求出液流角口，后，再加上一个冲角a a ，即可得到叶片安放角口；。一般取口 为3 0 5 0 ，但如果叶片挠曲度不大，亦可不加冲角。 根据血液流出后导叶轮时不希望有转动要求，应取a 4 = 9 0 。 ( 2 ) 确定叶弦长度l ：，s i n 譬掣 ( 2 1