（机械电子工程专业论文）两级轴流血泵结构设计与性能仿真.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 血泵是一种能完全或者部分代替心脏泵血功能，维持正常人体血液循环的小型泵，它 对于心脏病患者具有重要意义。目前血泵主要是可植入的微型旋转叶轮式结构，其中以轴 流式结构最具代表。轴流血泵的工作原理以及体积决定其需要很高的转速才能满足人体所 需血压，但较高的转速对血液的破坏程度更大，易形成溶血。 本文针对这一问题提出两级轴流结构血泵设计方案，其中前级叶轮采用一元流动理论 设计为螺旋式结构，后级叶轮采用流线法设计为传统轴流式结构。本文具体工作如下： ( 1 ) 按照设计方案对两级轴流血泵进行结构设计，主要包括转子头部和尾部的设计，前 后叶轮的选取和设计、后级叶轮叶片翼型安放角修正值的确定以及前后叶轮相对位置的确 定等； ( 2 ) 通过编写m a a b 程序计算后级叶轮叶片各翼型的空间坐标点，然后结合p r o e 强大 绘图功能建立两级血泵的精确三维模型； ( 3 ) 使用g a m b i t 对所得三维模型进行网格划分，然后使用f l u e n t 对网格模型进行仿真， 最后根据仿真结果对两级血泵的工况、切应力分布、压力分布、速度分布以及湍流效应等 进行了详细分析。分析结果表明：在相同条件下，两级结构的血泵与单级结构血泵相比， 其最大切应力明显降低，可有效减少溶血的形成。 关键词：两级轴流式血泵；一元流动理论；流线设计法；c f d 仿真分析；湍流效应 武汉科技大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b l o o dp u m pi sas m a l lp u m pt h a tc a nc o m p l e t e l yo rp a r t i a l l yr e p l a c e sh e a r tf u n c t i o na n d m a i n t a i n sn o r m a lb o d yb l o o dc i r c u l a t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rp a t i e n t sw i t hh e a r td i s e a s e c u r r e n tb l o o dp u m pi sm a i n l yr o t a r yi m p e l l e rs t r u c t u r et h a tc a nb ei m p l a n t a b l e ，a n dt h e a x i a l - f l o ws t r u c t u r ei st h em o s tr e p r e s e n t a t i v e t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fb l o o dp u m pd e c i d e st h a t i tn e e d sah i 曲s p e e dt om e e tt h eh u m a nb o d yb l o o dp r e s s u r e ，b u th i g h e rs p e e dc a u s e sg r e a t e r d a m a g et ot h eb l o o da n de a s yt oc a u s eh e m o l y s i s i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h eb l o o dp u m pi sd e s i g n e db yu s i n gt w o - s t a g ea x i a l s t r u c t u r e t h ef r o n ti m p e l l e ri sd e s i g n e dt oh e l i c o - a x i a ls t r u c t u r eb yu s i n go n ed i m e n s i o nf l o w a n dr e a ri m p e l l e ri sd e s i g n e dt ot r a d i t i o n a la x i a ls t r u c t u r eb yu s i n gs t r e a m i n gd e s i g nm e t h o d d e t a i l e dw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np l a n ，t h es t r u c t u r ed e s i g no ft w o - s t a g eb l o o dp u m pm a i n l y i n c l u d e sd e s i g no ft h er o t o rh e a da n dt a i l ，s e l e c t i o na n dd e s i g no ft h ef r o n ti m p e l l e ra n dr e a r i m p e l l e r , d e t e r m i n a t i o no f c o r r e c t i o nv a l u eo fr e a ri m p e l l e rb l a d ea i r f o i lp l a c e d 跹舀ea sw e l la s t h er e l a t i v ep o s i t i o no ff r o n ti m p e l l e ra n dr e a ri m p e l l e r ； ( 2 ) s p a c ec o o r d i n a t ep o i n t so fr e a ri m p e l l e rb l a d ea i r f o i la r cc a l c u l a t e db yw r i t i n gm a l a b p r o g r a m ，a n dt h e nc o m b i n e dw i t hp r o ed r a w i n gc a p a b i l i t i e s ，a c c u r a t e3 dm o d e lo ft w o - s t a g e b l o o dp u m pi se s t a b l i s h e d ； ( 3 ) g a m b i ti su s e dt om e s ht h e3 dm o d e la n df l u e n ti su s e dt oc a l c u l a t et h em e s hm o d e la n d m l a l l ys i m u l a t i o nr e s u l t sa r eu s e dt od od e t a i l e da n a l y s i so ft w o s t a g eb l o o dp u m p sw o r k i n g c o n d i t i o n , s t r e s sd i s t r i b u t i o n , p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , s p e e dd i s t r i b u t i o na n dt u r b u l e n c ee f f e c t s t h e a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h es a m ec o n d i t i o n s ，c o m p a r e dw i t hs i n g l es t a g es t r u c t u r eb l o o d p u m p ，t h em a x i m u ms t r e s so ft w o - s t a g es t r u c t u r eb l o o dp u m pd e c r e a s e ss i g n i f i c a n f l ya n dt h e s t r u c t u r ei sg o o dt or e d u c et h ef o r m a t i o no fh e m o l y s i se f f e c t i v e l y k e yw o r d ：t w o - s t a g e a x i a lf l o wb l o o dp u m p ；o n ed i m e n s i o nf l o wt h e o r y ；s t r e a m i n g d e s i g n ；c f ds i m u l a t i o n ；t u r b u l e n c ee f f e c t s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 心脏是人体中最重要的器官之一，其主要的生理功能就是泵血，即通过心脏的收缩和 舒张功能将血液输送到人体各部位，从而保证人体正常的血液循环。作为人体中最易受损 的重要器官之一，心脏的受损将直接威胁到人类的生命。据世界卫生组织报告【1 1 ，全世界 每年死于心脏病的人高达1 7 0 0 万，其中1 9 9 9 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的先例，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 2 1 ，但需要进行心脏移植手术的人数高达三万五千人，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，心脏衰竭患者得到匹配的可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。 为了解决以上难题，人工心脏开始成为许多国家的研究热点。早期人工心脏和辅助循 环装置主要是基于仿生学原理进行设计，可以模拟自然心脏，其类型主要是容积式血泵， 如隔膜泵，其动力源一般置于体外，靠气体驱动，通过气体的输入和输出改变隔膜泵的容 积，类似于自热心脏的收缩和舒张过程。但此种血泵有较大的体积和较粗的管路，在实际 应用中极为不便。另外，隔膜泵在其进出口的瓣膜处容易产生血栓，若使其振动达到7 0 次，分钟，又会影响其寿命。由于以上种种缺陷，人们又开始研制微型的可植入人体内的血 泵 3 埘。 可植入的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，在满足血泵正常工 作的前提下，通过降低血泵转速减少溶血和降低功率是非常有必要的。本课题提出采用两 级轴流血泵结构，由于较单级血泵多出一级，故在满足人体所需血压的前提下所需的转速 较低，从而可达到减少溶血和降低功率的目的。 1 2 国内外血泵技术研究现状 1 2 1 国外血泵技术研究现状 国外对血泵的研究最早可追溯到1 9 5 3 年，当时美国学者g i b b o n t g , 1 0 】利用体外循环装置 成功进行了心内直视手术，成为世界上第一个进行此类手术的人，同时该手术的成功也为 心脏循环装置的实现奠定了基础。 在心脏辅助的早期研究中，大多数设计者更偏爱搏动式隔膜泵，主要是因为其工作原 理与自然心脏相似，但在不断的临床应用中发现，隔膜泵由于其较大的体积而使得其植入 人体非常困难i l l 】。 为了克服隔膜泵不能植入人体的缺点，设计者开始改进隔膜泵，例如将隔膜泵的气动 武汉科技大学硕士学位论文第2 页 形式改为电动式，其总重量由5 0 磅减小到1 0 磅，实现了隔膜泵的可植入性，其中具有代 表性的有h e a r tm a t e 可植入型左心室辅助装置系统【1 2 】。随着时间的推移，这类心脏辅助装 置也暴露出了许多缺点，如：血泵体积较大，相应的要求受体病人的身材也较大，同时由 于其特殊的植入方式，导致血泵结构复杂、生理相溶性差、工作寿命短等【1 3 1 。为了克服以 上缺陷，设计者开始研制微型的旋转叶轮式血泵，主要结构有离心式结构，轴流式结构和 混流式结构等。 1 9 7 2 年b i o m e d i c u s 1 4 , 1 s 】离心泵研制成功，并用于临床。后来设计者发现，与离心泵 相比，轴流泵具有许多优点，如：能耗更低、体积更小、重量更轻、植入损伤更小、手术 风险更低；由于不是径向将血液甩出，所以可降低溶血的形成。 目前几种具有代表性的植入式微型血泵主要有美国b a y l o r 医学院、n a s a j o h n s o n 空 间中心和n a s a 美国研究中心联合研制的d e b a k e yb 6 、德国b e r l i nh e a r t 公司研制的 i n c 0 9 1 7 】、美国德克萨斯心脏研究所、o x f o r d 心脏中心和t r a n s i c o i l 公司联合研制的 j a r v i k 2 0 0 0 1 8 】等。上述三种血泵分别如图1 1 、1 2 、1 3 所示。 血 血淡方向 图1 1d e b a k e y 的结构图 导叶电机 叶轮血淡导轰藉 图1 2l n c o r 结构图 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 ( a ) j a r v i k 2 0 0 0 结构图( b ) j a r v i k 2 0 0 0 的植入位置 图1 , 3j a r v i k 2 0 0 0 示意图 d e b a k e y 的直径为3 0 r a m ，长度为7 6 r a m ，工作转速为7 5 0 0 1 2 5 0 0 r m i n 。从1 9 9 8 年1 1 月到2 0 0 2 年7 月这期间，接受d e b a k e y 血泵植入手术的病人共有1 5 0 人，临床表明：病 人植入d e b a l 【e y 后，流血和溶血率随时间的延长而降低，同时血栓形成率在2 个月后基本 保持不变。i t l c o r 的直径为3 0 r a m ，长度为1 1 4 r a m ，工作转速为1 2 0 0 0 r m i n 左右。目前植入 l n c o r 的病人已达1 2 4 例，其中最长的植入时间为2 年。j a r v i k 2 0 0 0 的直径为2 5 r a m ，长度 为5 5 r a m ，工作转速为8 0 0 0 - - 1 2 0 0 0 r m i n 。自2 0 0 0 年以来，植入j a r v i k 2 0 0 0 的病人已达1 0 3 例，其中最长的植入时间为4 5 5 天。 总体上，国外对血泵的研制已经到了一个很高的高度，已经进入到临床应用阶段，其 中设计优秀的血泵已经可以在人体内正常工作达两年。 1 2 2 国内血泵技术研究现状 与国外相比，国内对血泵的研究工作起步较晚，目前只停留在仿真模拟研究以及体外 和动物体内实验研究等，还未到临床应用。 1 9 6 5 年，上海仁济医院成功研制出我国第一个以射流进行驱动的囊状心室辅助装置 1 1 9 。1 9 7 8 年，我国的第一次全国性人工心脏会议在广州召开，并在北京、上海、广州分别 成立了研究中心，为我国在接下来的心脏辅助装置的自主研究打下了夯实的基础。1 9 9 0 年， 广东省心血管病研究所开始了气动隔膜泵的研制，后来以两位研究者的姓命名为罗叶泵 团翔】，并于1 9 9 3 年获国家实用新型专利证书。首都医科大学附属北京安贞医院的蔺嫦燕 2 2 2 6 1 等人对不同叶轮形式的血泵装置做了大量研究工作，自1 9 9 5 年以来先后研制出离心 式血泵、轴流式血泵和锥形螺旋式血泵，并对这三种血泵进行了体外和动物体内的对比实 验研究，结果表明：在满足溶血指数要求和对血液破坏程度这两方面，螺旋式血泵是最好 的，轴流式血泵次之，离心式血泵最差。1 9 9 5 年，钱坤喜f 2 7 锄】教授回国后，在江苏大学成 立了生物医学工程研究所，并对血泵作了深入研究，其中研制的流线型离心血泵的溶血性 能优于国外同类血泵。中国协和医院医科大学阜外心血管病医院阜外心血管病研究所的李 国荣 3 0 3 1 j 、朱晓东研制了i 、i i 两型微型轴流血泵，如图1 4 所示，其流体力学特性已达 临床应用的需要，并通过体外模拟实验得出如下结论：分段式叶片轴流泵有更好的流体力 学特性，而连续式叶片结构具有结构简单易加工的优点。中南大学【1 9 , 3 2 - 3 5 1 对血泵的研制也 武汉科技大学硕士学位论文第4 页 做了大量工作，主要包括血泵中血液损失的机理、血液在血泵的摩擦等，其研制的血泵如 图1 5 所示。 图1 4 李国荣、朱晓东研制的微型轴流血泵 图1 5 中南大学研制的轴流血泵 总体上，我国目前的血泵设计主要是基于离心泵、传统轴流泵、螺旋轴流泵和混流泵 等结构型式。血泵的发展趋势基本上是朝着体积小，重量轻，携带方便，操作简单，溶血 和血栓少，植入损伤小，手术风险低等方向。虽然目前国内还没有像国外那样有商品化的 血泵装置，但是随着国内对血泵装置研究的深入，相信商品化的国产血泵装置不久将会在 我国出现。 1 3 血泵溶血影响因素 溶血是血泵设计过程中非常重要的指标，其一直困扰着血泵设计人员。溶血主要是血 泵叶片在高速旋转时对血液产生的剪切应力致使红细胞破裂而使血红蛋白游离在血浆中。 由于血泵的体积非常小，在满足正常人的生理要求时，血泵的转速必然很高，所以很多相 关工作的研究人员主要是采取不同的设计理论，如一元流动理论、三元流动理论、流线设 计法、升力设计法等对血泵进行设计，通过优化其结构减少溶血的形成。除此以外，还有 许多学者针对其它方面，例如从血泵材质、表面粗糙度等，寻找影响血泵溶血的因素。 蔺嫦燕【2 5 1 、李冰一等人对离心血泵、轴流血泵和螺旋血泵的溶血性能作了对比分析， 结果表明：螺旋血泵内产生的溶血最少。王芳群【2 引、钱坤喜等人对采用流线法设计的离心 血泵和直叶片叶轮离心血泵的溶血性能进行了分析，结果表明：前者的溶血要比后者的少。 王玉璇【3 6 】、张杰民等人对微型轴流血泵的溶血进行了实验研究，研究结果表明：采用质量 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 轻、血液相容性好的钛合金有利于减小溶血形成的概率。云忠f 7 1 、谭建平等人对血液撞击 血泵叶轮的损伤机理进行了仿真分析，结果表明：血液红细胞在临界速度约为6 m s 的情况 下垂直撞击血泵叶轮时会发生破裂而导致溶血。罗新锦【3 引、孙寒松等人对机械循环辅助装 置对血液红细胞的影响进行了分析，结果表明：血液在流动过程中，如果遇到容积变化较 大的地方时，其受到的剪切应力将发生变化并导致溶血的产生。l a m p e r t 3 9 j 等人对塑料和 金属表面在剪切应力诱导溶血中的作用作了研究，结果表明：材料对溶血的作用主要与材 料的表面有关。a p e l 【4 0 】等人研究发现，在血泵的内部流场中，血液红细胞受到破坏引起的 溶血主要与受到的剪切应力和受力时间有关。t a k a m i 4 l 】等人对血泵材料表面的粗糙度对离 心血泵溶血性能的影响进行了研究，结果表明：离心血泵位置的不同，其表面粗糙度对溶 血的影响也不同：当离心泵处于心脏旁路时，泵表面的粗糙度越小越好；当离心泵处于左 心室时，泵表面的粗糙度对溶血基本没有影响。 由此可以总结出，影响血泵溶血因素的原因很多，主要有：血泵的结构、血泵叶轮参 数、材料，血液在血泵内的运动速度、血泵材料表面的粗糙度等。 1 4 本文主要研究工作 血泵的结构由仿生式到旋转叶轮式，其体积变小，实现了可植入的特性。在旋转叶轮 结构的血泵中，以轴流结构最具代表性。轴流血泵的工作原理以及体积决定其需要很高的 转速才能满足人体所需血压，通常叶轮的旋转速度都在7 0 0 0 r m i n 以上。高速旋转的叶轮 使叶轮对血液产生了较高的剪切应力，从而易导致溶血，不利于血泵在人体内长期工作。 因此，在满足血泵工作要求的前提下，通过降低血泵转速来减少溶血是非常有必要的。本 文将血泵设计为两级结构，并对其设计过程和性能分析作了叙述，主要内容包括： ( 1 ) 通过分析不同结构的旋转叶轮式血泵的优缺点，确定两级血泵的总体设计方案，其 中布局方式为前级叶轮、后级叶轮、后导叶；前、后级叶轮的结构形式分别为螺旋轴流结 构和传统轴流结构； ( 2 ) 根据前面确定的设计方案，使用一元流动理论设计前级叶轮，流线法设计后级叶轮 并确定后级叶轮叶片翼型安放角的修正角以及前、后叶轮的相对位置； ( 3 ) 使用p r o e 分别对血泵头部、尾部、前级叶轮和后级叶轮进行建模，然后将其装配 为一个整体得到两级血泵的三维模型： ( 4 ) 分别对只含前级叶轮的血泵a ，只含后级叶轮的血泵b 以及含前、后级叶轮的血泵 c 进行c f d 模拟，并对比分析三个血泵的应力和湍流效应等，同时分析了血泵c 的工况 以及流场中的速度和压力等分布情况； ( 5 ) 通过前面对模拟结果的分析，指出两级血泵设计中存在的一些问题，并对本文所 作工作进行总结，同时对未来的研究工作作出展望。 武汉科技大学硕士学位论文第6 页 第二章两级轴流血泵结构设计 2 1 两级轴流血泵结构与工作原理 目前轴流血泵已发展到第三代，其主要特点是采用了悬浮技术。相对于第二代血泵的 机械轴承支持方式，第三代血泵采用了无机械接触的磁悬浮轴承。由于没有机械摩擦，第 三代血泵具有如下优势： ( 1 ) 可避免第二代血泵轴承处血栓的形成； ( 2 ) 使用寿命长； ( 3 ) 可避免能耗和温度升高，有利于血泵工作效率的提高。 本文通过查阅大量文献，提出两级轴流血泵结构如图2 1 所示，其主要包括以下几个 部分：电机定子、电机转子、血泵叶轮、血泵后导轮、磁力轴承支撑、位置传感器、外壳 等。其中，磁力轴承主要用于提供叶轮转子轴向和径向的支撑；通过位移传感器使叶轮转 子始终保持在合适位置；通过电机定子产生的交变磁场来驱动电机转子进行旋转；叶轮转 子采取前后级形式，前级为螺旋轴流结构型式，后级为传统轴流结构型式。 图2 1 两级轴流血泵结构 为减小血泵的尺寸，将电机转子和磁力轴承转子与叶轮转子集成在一起，将磁铁和磁 性线圈植入叶轮转子内部。当电机转子开始转动时，将带动与其固连的叶轮转子一起旋转， 从而产生轴向推力，带动血液沿叶轮轴向运动。同时，在叶轮的旋转作用下，血液也会产 生旋转运动，这对人体是非常不利的，因此，设计中采用后导轮将血液的旋转运动转变为 直线运动，使其更符合血管中血液的流动规律。血泵装置的控制器和电池位于人体外部， 通过可穿透皮肤的电缆线与血泵相连。 叶轮转子是血泵结构的设计核心，本文主要针对血泵叶轮转子的结构进行详细设计与 分析。为了简化结构，暂不考虑后导轮的设计。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 2 设计参数确定 血泵的设计参数主要包括血泵叶轮外缘直径、轮毂比、扬程、流量、转速、叶片数等。 在其他条件不变的情况下，叶轮外径越大产生的扬程也越大，所以为了尽量降低血泵 叶轮的转速可以将叶轮外径设计得大些，但考虑到人体主动脉的内径为2 0 r a m ，因此最终 将叶轮的外径设计为1 8 r a m 。 传统轴流泵的轮毂比主要是根据比转速进行选取。一般情况下，轮毂比越小，泵的过 流面积越大，水力摩擦损失越小，泵的抗气蚀性能越好，但过小的轮毂比会增加叶片的扭 曲，当偏离设计工况时，会造出液体流动的紊乱，在叶轮出口形成回流，对提高泵的效率 非常不利；当增大轮毂比时，可减小叶轮根部和尖部做功能力的差距，避免流体从叶轮尖 部到根部形成回流。因此血泵轮毂比应综合考虑，最终选取血泵的轮毂比为0 5 6 。叶轮内 径根据叶轮外径和轮毂比计算并取整为10 m m 。 血泵扬程和流量主要是根据正常人的心脏压力和血液流量进行选取。一般情况下，正 常人的血压为8 0 1 2 0 m m h g ，血液流量为5 7 u m i n ，分别取它们的平均值作为血泵的设计 扬程和流量，即血泵设计扬程为lo o m m h g ，约为1 3 5 m 水柱，流量为6 1 m i n 。 血泵的工作原理及体积决定其需要很高的转速才能满足人体所需压力。例如b e r l i n h e a r t 公司i n c o r 1 6 】轴流血泵的工作转速在1 2 0 0 0 r m i n 左右；美国研制的d e b a k e y t l 7 1 轴流血 泵的工作转速在7 5 0 0 - - 1 2 5 0 0 r m i n 之间；j a r v i k 2 0 0 0 墙】轴流血泵的工作转速在 8 0 0 0 1 2 0 0 0 r m i n 之间。在相同的情况下，血泵转速越高，其叶片对血液的剪切应力就越大， 对血液的破坏也越大。因此比转速概念的引入对合理选取血泵转速是非常有益的。比转速 反映的是泵效率最高时的转速和流量关系，其计算公式如下： 札= 筹 ( 2 1 ) 式中m 比转速，无量纲； 刀血泵叶轮转速( r m i n ) ； q 血泵设计流量沏3 m i n ) ； 日血泵设计扬程( 历) 。 对于不同结构的旋转叶轮泵，其比转速的范围是不同的，离心泵的比转速范围为 1 0 0 - 7 0 0 ；混流泵的比转速范围为4 0 0 - 1 4 0 0 ；轴流泵的比转速为1 0 0 0 - - 2 5 0 0 t 4 2 1 。将前面确 定出的扬程和流量值代入到式2 1 中，可以估算出血泵的转速，考虑到血泵为两级结构， 最后确定血泵的设计转速为7 0 0 0 r m i n 。 一般情况下，轴流泵的叶片数是根据比转速确定的。在相同情况下，增加叶片数可减 少轴向长度，但如果叶片数过多，就会减小叶轮的过流面积，增大叶片排挤系数同时摩擦 阻力也会随叶片数的增多而增加。对于血泵前级叶轮，考虑到其工作环境和工作位置，其 叶片数不宜取多，主要是因为前级叶轮过多的叶片数会增加血液与前级叶轮的接触面积， 武汉科技大学硕士学位论文第8 页 易形成血栓，同时过多的叶片数会使流道更复杂，对后级叶轮的入流产生较大的影响，但 是叶片数过少，前级叶轮产生的扬程将达不到设计要求，因此最终确定前级叶轮的叶片数 为3 。血泵后级叶轮为传统轴流式结构，其轴向长度较前级叶轮小，要达到与前级叶轮相 同的扬程，后级叶轮的叶片数应多于前级叶轮。后级叶轮的叶片数选取应考虑流体受力、 扬程、工作效率和流体流动情况进行确定【4 3 】。最终确定后级叶轮的叶片数为4 。 血泵转子模型的设计主要包括5 个部分：转子头部、前级叶轮、后级叶轮和转子尾部。 2 3 转子头部和尾部设计 血泵转子头部的主要作用是降低前级叶轮的入流阻力，提高入流速度，减少血液在前 级叶轮入口的停留时间，为此将转子头部的外形曲线设计为尖削的流线型，其数学表达式 采用由已知函数m ( x ) ：皇t 荔i 7 和一个由二次多项式作为参函数的未知函数的乘积构 成m 】，其表达式为： y ( x ) ：鱼压：i _ 【彳。+ 彳。x + 彳：x 2 】 ( 2 2 ) 上式中a 为转子头部或尾部的长度，b 为血泵轮毂的半径，根据边界条件有： y ( 口) = 6 y ( 口) = 0 将上述两个边界条件代入到式2 2 中可得： 丘：一2 ( 4 , - 1 ) a 以：4 , 下- 1 a 将上面两个系数表达式代入到式2 2 得： y ( 垆b 口4 2 a x - x 2 1 4 , + 2 ( 1 a 4 , ) 铲等胡 ( 2 3 ) 口口 令t = 兰并代入式2 3 中，得： y ( ，) = 6 2 ，一r 2 【4 + 2 ( 1 4 , ) t - ( 1 - 4 , ) t 2 】 ( 2 4 ) 对于转子头部，取a = 1 4 ，b = 5 ，a o = 0 3 代入式2 4 ，得： y ( f ) = 5 2 f f 2 ( o 3 + 1 4 t - o 7 t 2 ) ( 2 5 ) 本文采用p r o e 对血泵的转子进行建模，所以后面涉及到曲线方程的都采用p r o - e 所要求 的格式进行描述。转子头部的曲线方程如下： x = 1 4 f y = 5 宰( o 3 + 1 4 * t - o 7 * t * t ) * s q r t ( 2 * t t * t ) ( 2 6 ) z = 0 式中f 为p r o e 标准方程中的单位步长，后面以此类推。 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 转子尾部的作用主要是避免流体的流动分离，减少涡流阻力，因此也把转子尾部设计 为流线型，方法如上所述，设计出的转子尾部外形曲线方程为： x = 1 0 宰f y = 5 ( o 3 + 1 4 * t - o 7 * t t ) * s q r t ( 2 r f f ) ( 2 7 ) z = 0 2 4 叶轮结构设计 2 4 1 前后级叶轮选取 目前血泵以旋转叶轮式结构为主，主要是因为这种结构具有体积小，可植入的特性。 旋转叶轮结构的血泵主要包括离心式血泵、传统轴流式血泵、螺旋轴流式血泵、混流式血 泵等。轴流泵相对于离心泵具有能量横向传输、能耗低、体积更小、重量更轻的优点。同 时轴流泵不是像离心泵那样径向将血液甩出，所以轴流血泵对血液的破坏更小。螺旋轴流 式血泵相对于传统轴流式血泵，其效率更高，扬程更大，血栓性能更好【2 5 1 ，但前者的叶轮 长度更大。 为了使两级血泵获得更好的整体性能，将前级叶轮设计为螺旋轴流结构，这个主要是 考虑到前级叶轮的实际入流条件和其设计时的入流情况相近，这样可以充分发挥螺旋轴流 结构的优点。如果将后级叶轮同样设计为螺旋轴流结构，那么两级血泵虽然可以获得很好 的整体性能，但两级血泵的总体长度过大，影响其易植入的特性，而这是微型血泵最重要 的特性，因此血泵的后级叶轮设计为叶轮长度相对较小的传统轴流式结构。虽然在前级叶 轮的作用下，后级叶轮的实际入流条件和其设计时的入流条件相差较大，但在设计时考虑 这种差别并加上一定的修正方法，后级叶轮仍能较好工作。 2 4 2 前级叶轮设计 血泵的前级叶轮为螺旋轴流结构，采用一元流动理论进行设计，其主要思想是将流道 横截面上的参数用其平均值来表示。为了尽可能避免溶血问题，将前级叶轮轮毂到轮缘之 间等分为五个截面并采用速度三角形法分别计算这五个截面的入口角度、出口角度等参 数，然后取其平均值。由于前级叶轮的轮毂直径为l o m m ，外缘直径为l g m m ，当把它们 之间等分为五个截面时，其直径分别为l o m m ，1 2 r a m ，1 4 r a m ，1 6 m m 和1 9 r a m 。前级叶 轮的进、出口速度三角形如图2 2 所示。 w l 慕协瑚1 j j 八 么 l 竺 纠 v j 武汉科技大学硕士学位论文第1 0 页 图2 2 前级叶轮速度三角形 图中 吻，吻前级叶轮进、出口绝对速度( ，以) ； w j ，w 2 前级叶轮进、出口相对速度( 删叠) ： 历，2 前级叶轮进、出口液流角( o ) ； 前级叶轮轴面速度( 以) ； 坳前级叶轮出口绝对速度的圆周分速度( ，妇) ； ”前级叶轮圆周速度( m s ) 。 由图2 2 可得： t a n a = 量 “ t a n 属= l “一k 2 上式中 驴等 4 d 驴丽南 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) u 2 ：堕 ( 2 1 2 ) “仇 式中历前级叶轮圆柱流面所在直径劬) ； 玎前级叶轮的转速( 枷) ； q 前级叶轮的入口流量沏询； d 前级叶轮外缘直径( m ) ； 磊前级叶轮轮毂直径( m ) ； 卵v 容积效率，轴流泵的容积效率较高，设计时常取为1 ； 七考虑叶片厚度的轴面速度修正系数； 研前级叶轮扬程( 掰) ； 枷水力效率。 由式2 8 式2 1 2 以及前面确定的五个圆柱流面的直径可以计算出各流面的进出口角 度，并计算出各流面进出口角度的平均值。为了提高前级叶轮出口速度沿轴向的分量，改 善后级叶轮的入流条件，可以在前级叶轮出口角度平均值的基础上适当增加。最后计算出 的前级叶轮流道截面进、出口角度的平均值分别为9 。和4 0 0 。根据上述确定的参数和前级 叶轮旋转不同角度时叶片型线与速度三角形的关系，如图2 3 所示，可确定叶片型线的方 程。 武汉科技大学硕士学位论文第1 l 页 图2 3 前级叶轮叶片型线图 由图2 3 可知，在叶片型线任意位置，叶片型线与速度三角形存在如下关系： t a n 2 矗= 粤 (213)rdo“一v 在式2 1 3 中，对于前级叶轮的入口，h = o ，p = p 1 ：对了前级叶轮出口，v u - - - - - t u 2 ，1 3 = p 2 。当日 值越大时，前级叶轮的扬程越大，但其叶片长度更大，同时前级叶轮轴向也更大；当p 值 越小时，前级叶轮的扬程和轴向长度则反之。所以为了使前级叶轮产生较大扬程的同时其 轴向长度又不至于过大，日值应合理选择，最后确定0 = 3 0 0 0 。 对于式2 1 3 ，存在以下几个边界条件： ( 1 ) 当日= 0 0 时，p = p l ； ( 2 ) 当0 = 0 0 时，z - - 0 ； ( 3 ) 当0 = 3 0 0 0 时，p = 艮。 由于边界条件有三个，所以可以用二次多项式【4 5 1 来构建叶片型线的方程，即： z = a o + t 黾o + a 2 0 2 ( 2 1 4 ) 由式2 1 4 以及前面确定的前级叶轮进、出口角的平均值和叶片型线的边界条件可以计算出 叶片型线的方程，将方程中的角度转换为弧度，可得叶片型线的最终方程如下所示： z = 0 0 1 9 3 0 + 0 0 0 0 1 4 0 2 ( 2 1 5 ) 将式2 1 5 写成p r o e 圆柱坐标系的标准形式，如下所示： ，= 7 t h e t a = 3 0 0 f ( 2 1 6 ) z = 0 0 1 9 3 t h e t a + 0 0 0 0 1 4 t h e t a 木t h e t a 叶片中间型线确定后，需要在型线上加厚，加厚方式采用一边加厚，加厚规律为梯形变化 规律，上底为0 4 m m ，下底为0 8 r a m 。为了提高前级叶轮的抗气蚀性能同时减小前级叶轮 叶片对血液产生的剪切应力，降低溶血，前级叶轮的进、出口靠近叶片外缘的地方应该进 行修圆。 武汉科技大学硕士学位论文第1 2 页 2 4 3 后级叶轮设计 后级叶轮为传统轴流式结构，其设计主要是基于传统轴流泵的设计方法，主要包括升 力法、圆弧法等。对于升力法，由于轮毂侧的直径较轮缘处的直径小很多，一般为轮缘的 0 5 o 6 左右，有的更小，当叶轮的转速一定时，叶轮轮毂处的圆周速度比轮缘处的小很多， 但轮毂和轮缘处的轴面速度一般相差不大，因此轮毂处的相对速度比轮缘处的小很多，要 使轮毂和轮缘两处具有相等的环量，轮毂处必然有很大的正冲角和升力系数，而轮缘处的 则很小，这样将导致叶片轮毂到轮缘之间截面的翼型安放角相差很大，叶片扭曲严重，从 而使泵的水力效率下降。对于圆弧法，叶片翼型的骨线只限于为圆弧的圆弧翼型。考虑到 轴流泵、混流泵和离心泵同属于叶片式泵，同时流线法设计出许多优秀的离心泵和混流泵， 因此，本文采用流线法设计传统轴流式结构的后级叶轮，具体设计步骤如下： ( 1 ) 基本参数的确定 考虑到后级叶轮为两级血泵的第二级，其基本设计参数如流量、转速、轮毂比、叶轮 外径等应与前级叶轮的相同。为了使后级叶轮的速度三角形与前级叶轮的吻合，后级叶轮 计算流面的个数与位置和前级叶轮相同。 ( 2 ) 叶栅稠密度l t 的选择 叶栅稠密度肌表示叶片总面积的大小，它对后级叶轮的设计有着重要影响，因为它直 接关乎到后级叶轮的效率和血泵的整体效率以及气蚀性能。当叶栅稠密度减小时，表示后 级叶轮叶片的总面积减小，使得叶片两面的压差增加，气蚀性能变差；但由于叶片总面积 的减小导致叶片与流体的接触面积减小，即流体与叶片的摩擦面积减小，使得泵的工作效 率提高。反之，增大叶栅稠密度竹，能量损失将增加，使得泵的工作效率降低1 4 6 , 4 7 。因此， 叶栅稠密度肌的选取应综合考虑，力求使得选取的叶栅稠密度肌使损失最小同时气蚀性 能最好，为此本文将通过三个依据来综合确定叶栅稠密度肌。 根据对性能比较好的轴流泵统计表n i j t 4 钔，叶片外缘的升力系数随比转速的不同而变 化，一般在0 2 5 , - - 0 4 5 之间，高比转速的取较小值，低比转数的取较大值；而在轮毂处， 升力系数应小于1 0 1 1 。由此可大致确定后级叶轮叶片外缘和轮毂处的叶栅稠密度肌，此 为第一个判断依据。 在理论分析和实践数据综合的基础上，a h 巴比尔得到了叶轮外缘叶栅稠密度册与 扬程系数勋的关系曲线，其公式【4 9 】如下： 翰= 嘉 ( 2 1 7 ) 式中鼠九、d 的单位分别为m 、r s 、m 。 三：6 2 8 k m 一0 0 3 ( 2 1 8 ) f 由式2 1 7 和式2 1 8 可计算出后级叶轮叶片外缘的叶栅稠密度肌，此为第二个判断依据。 ，、 如图2 4 曲线i i 所示，此曲线是根据a i i i 伸作出的k 旷i 三l 以及n s k n 关系得到， 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 此为第三个判断依据。图中曲线i 是根据第二个判断依据中统计性能较好的轴流泵得到 的。 图2 4 ，三 毗关系曲线 r 一， 由于在前级叶轮的作用下，后级叶轮的入口压力较大，即后级叶轮的低压区较少，抗 气蚀能力提高，所以选择后级叶轮的叶栅稠密度，r 时，可在尽量满足前面提到的三个判断 依据的前提下适当减小叶栅稠密度肌，最后确定出后级叶轮外缘翼型的叶栅稠密度为1 5 0 。 确定出后级叶轮叶片外缘的叶栅稠密度以后，就需要确定后级叶轮轮毂处叶栅稠密度。一 般推荐轮毂处的翼型叶栅稠密度应大于轮缘处的叶栅稠密度，具体关系如式2 1 9 所示。 ( 认i 、i = 1 2 0 - 1 2 5 ( a 式中f 1 1 一后级叶轮轮毂翼型的叶栅稠密度； f i i r 三 后级叶轮外缘翼型的叶栅稠密度。 r i 本文选取后级叶轮轮毂翼型的叶栅稠密度与轮缘处的倍数关系为1 2 1 。根据前面确定 出的后级叶轮轮缘翼型的叶栅稠密度，可得后级叶轮轮毂处的为1 8 2 。后级叶轮轮毂与轮 缘之间各流面的叶栅稠密度按直线规律变化。 ( 3 ) 叶片翼型厚度的确定 轮毂处的翼型厚度一般是按照叶片强度进行确定的，但实践表明，这种方法确定的翼 型厚度一般过大，对改善泵的性能不利，所以翼型的厚度可按翼型弦长确定，其方法如式 2 2 0 所示： 否= 导= ( 1 0 - - 1 5 ) ( 2 2 0 ) 轮缘处的翼型厚度一般较小，其厚度则按照工艺条件来确定，确定方法如式2 2 1 所示： 万= 导= ( 2 5 ) ( 2 2 1 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 4 页 式2 2 0 和式2 2 1 中，j 为翼型相对厚度，万为翼型厚度。 一般情况下，翼型厚度越小，即叶片厚度越小，叶片的排挤系数也越小，流体过流面 积则越大，在相同流量下，泵的扬程越大，所以在叶片加工工艺许可的条件下，应尽量减 小翼型厚度。 ( 4 ) 速度环量分布规律的确定 不同的速度环量分布决定着后级叶轮叶片不同的形状。当按等速度环量的分布规律设 计后级叶轮叶片时，轮毂处的叶片安放角一般较大，使得轮毂处与轮缘处的叶片安放角相 差很大，导致叶片过于扭曲，这样会给绘型和制造带来困难，同时扭曲的叶片会产生较大 的剪切应力。所以在设计后级叶轮时，将按照变环量的分布规律，具体可按下式的规律进 行设计【5 0 1 ， 圪，口= c ( 2 2 2 ) 在式2 2 l 中，c 为常数，口的取值一般为1 1 。当萨1 时，出口流动为强迫旋涡，也称刚 体旋转；当a = l 时，出口流动为自由漩涡，即等环量流型。当由强迫漩涡变到自由漩涡时， 叶轮轮毂处的轴面速度将变大，而轮缘处的变小，轮毂到轮缘之间的轴面速度相差越小； 当由自由漩涡变到强迫漩涡时，叶轮轮毂处绝对速度的圆周分量y 玉逐渐减小，轮缘处的 则逐渐增大，从轮毂到轮缘处的圪2 分布也变得越不均匀。当改变口的取值时，叶轮流动 情况也会随之改变，为了使液体绝对速度的圆周分量p 0 、轴面速度等参数沿叶片高度方 向的变化比较合理，在此建议口的取值范围为0 5 o 7 5 【5 l 】。本文最后对口的取值为0 6 ，这 样有利于减小叶片的扭曲并提高工作效率。 ( 5 ) 轴面速度分布规律的确定 受变环量分布的影响，叶轮轴向速度沿半径方向的分布也是变化的。当忽略前后叶轮 之间的能量损失时，可认为前级叶轮各流面的出口轴面速度与后级叶轮各流面的进口轴面 速度相等。前级叶轮出口轴面速度沿半径的分布规律应满足如下关系【5 2 】： f 功丘1 掣：匕冬 ( 2 2 3 ) i，j 务1 务 、。 上式反应了叶轮流道中的轴面速度与环量分布规律之间的关系。 由式2 2 1 可得： 圪，= c r 卜4 ( 2 2 4 ) 孚= 导 ， 将式2 2 3 和式2 2 4 代入到式2 2 2 中可得： c o ) - 导) 等咖= v d 圪 对式2 2 5 两边进行积分得： 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 2 c t o r 卜a + c 2 型，- 2 a + d ：圪2( 2 2 7 ) a 。 上式中，d 为积分常数，当假设前级叶轮出口的中间流面处的轴面速度与其进口处的相等 时，即可计算出积分常数d 的值，由此可以得到前级叶轮出口，即后级叶轮入口的轴面速 度沿半径方向的分布规律。 ( 6 ) f l 挤系数的确定 由于从轮毂到轮缘各截面翼型都有一定的厚度，所以在计算轴面速度时要考虑到叶片 的排挤作用，这时就需要引进排挤系数，其计算公式如下： 七= 1 一弧2 雨8 ( 2 2 8 ) 3 f