心脏泵叶轮设计方法和叶轮技术

本发明专利技术提供了一种心脏泵叶轮设计方法和叶轮，涉及医疗设备领域。该方法先计算各种叶轮与泵的参数，然后依据计算的尺寸，绘制出初步的轴面流道，进而确定轴面流道形状；而后，选择和计算进口边叶片安放角并对轴面流线分点并画流线方格网，从而确定叶片加厚图和叶片木模图，再基于溶血剪切率指标的心脏泵叶轮水力优化最终进行叶轮才冲刷孔优化，得到满足溶血生理指标的离心式叶轮。所述叶轮由如上所述的心脏泵叶轮设计方法设计而出，包括轮基和叶片，在所述轮基上沿轴向开设有平衡孔。本发明专利技术解决了现有的心脏泵叶轮设计需要制作样机的技术问题。

Design method and impeller of heart pump impeller

【技术实现步骤摘要】
心脏泵叶轮设计方法和叶轮
本专利技术涉及医疗设备
，尤其是涉及一种心脏泵叶轮设计方法和叶轮。
技术介绍
心脏泵是协助治疗严重心衰病患者的部分或全部替代心脏泵血功能的装置，从叶轮中血液流动方向上可分为轴流、离心、斜流等。现有的心脏泵叶轮设计大多考虑心脏泵泵血的水力性能，结合叶轮基地材料、表面涂层等，通过样机实验验证后的改型优化来保证心脏泵的生理相容性。基于此，本专利技术提供了一种心脏泵叶轮设计方法和叶轮以解决上述的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种心脏泵叶轮设计方法，以解决现有的心脏泵叶轮设计需要制作样机的技术问题。本专利技术的目的还在于提供一种叶轮,用于解决现有叶轮易形成血栓的技术问题。基于上述第一目的，本专利技术提供了一种心脏泵叶轮设计方法，包括如下步骤：步骤一，通过计算泵的比转速确定叶片形状；步骤二，计算泵的效率；步骤三，计算泵的轴功率和原动机功率；步骤四，确定泵的进口直径、出口直径、进口速度、出口速度；步骤五，确定叶轮进口直径、叶片进口出直径、叶轮出口宽度和叶轮出口直径；步骤六，依据步骤二到步骤四中计算的尺寸，绘制出初步的轴面流道，进而确定轴面流道形状；步骤七，选择和计算进口边叶片安放角；步骤八，对轴面流线分点并画流线方格网；步骤九，确定叶片加厚图和叶片木模图；步骤十，基于溶血剪切率指标的心脏泵叶轮水力优化；步骤十一，基于步骤十的优化效果，进行叶轮才冲刷孔优化。可选的，步骤一中，泵的比转速计算公式为其中Q为流量，H为扬程，n为转速。可选的，步骤二中，先计算泵的水力效率容积效率机械效率最终计算出总效率η＝ηhηmηv。可选的，步骤三中，泵的轴功率计算公式为原动机功率计算公式为pg＝Kgp/ηt，其中Kg为安全系数，ηt为原动机效率。可选的，步骤四中，泵的进口直径为泵的出口直径Dd＝Ds，泵的进口速度泵的出口速度Vd＝Vs，其中，Vs为泵的进口流速。可选的，步骤六中，依据步骤二到步骤四中计算的尺寸，先绘制出初步的轴面流道，然后对其进行过水断面流道检查，根据过水断面流道检查的结果确定轴面流道形状。可选的，步骤十中，首先进行全流道水力模型建模，然后进行网格划分，再进行网格无关性验证，最后进行计算结果分析确定改进方案并初步优化。可选的，采用UG进行建模，采用ANSYS软件下的ICEM进行网格划分。可选的，步骤十一中，首先进行水力模型建模和网格划分，再进行结果分析。基于上述第二目的，本专利技术提供了一种叶轮,所述叶轮由如上所述的心脏泵叶轮设计方法设计而出，包括轮基和叶片，在所述轮基上沿轴向开设有平衡孔。本专利技术提出了一种离心式心脏泵叶轮的设计优化方法及最终带冲刷孔的优化叶轮形式，结合血液溶血的流动剪切力指标，在叶轮水力模型设计优化中通过CFD(计算流体力学)手段，通过对心脏泵内部流动壁面剪切力的精确捕捉与评估，不需要制作样机，实现叶轮水力型线的优化设计，在此基础上结合材料、涂层等技术，确保心脏泵的生理相容性指标。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为过水断面变化曲线；图2为轴面流道形状；图3为轴面流道划分图；图4为叶轮进口边及叶轮进口速度三角形；图5为轴面流线分点；图6为流线方格网；图7为叶片加厚图；图8为叶片木模图；图9为泵的全流道三维水力模型图；图10为叶轮模型图图11为扬程、效率、最大切应力与网格数量的关系曲线；图12为叶轮速度矢量图；图13为叶轮三维流线图；图14为泵内切应力所占百分比；图15为叶片表面的切应力分布；图16为优化后的心脏泵叶轮；图17为优化后泵切应力所占的百分比；图18为叶轮开孔之后的结构图；图19为不同开孔的叶轮结构图；图20为开孔后泵的几何模型图；图21为叶轮背后间隙流线图；图22为图18中A截面叶轮内部流线图；图23为叶轮后盖板间隙处的壁面剪切应力图；图24为叶轮实施例叶轮的结构示意图。图标：1-轮基；2-叶片；3-平衡孔。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。心脏泵叶轮设计方法实施例在本实施例中提供了一种心脏泵叶轮设计方法，所述心脏泵叶轮设计方法包括如下步骤：步骤一，通过计算泵的比转速确定叶片形状；步骤二，计算泵的效率；步骤三，计算泵的轴功率和原动机功率；步骤四，确定泵的进口直径、出口直径、进口速度、出口速度；步骤五，确定叶轮进口直径、叶片进口出直径、叶轮出口宽度和叶轮出口直径；步骤六，依据步骤二到步骤四中计算的尺寸，绘制出初步的轴面流道，进而确定轴面流道形状；步骤七，选择和计算进口边叶片安放角；步骤八，对轴面流线分点并画流线方格网；步骤九，确定叶片加厚图和叶片木模图；步骤十，基于溶血剪切率指标的心脏泵叶轮水力优化；步骤十一，基于步骤十的优化效果，进行叶轮才冲刷孔优化。本申请提供了一种满足溶血生理指标的离心式心脏泵叶轮标准化优化设计流程，可以设计出满足溶血生理指标的离心式叶轮，不需要制作样机检验。下面提供一具体实施例以更清楚的理解设计方案。实施例二本专利提出了一种离心式心脏泵叶轮的设计优化方法及最终带冲刷孔的优化叶轮形式，结合血液溶血的流动剪切力指标，在叶轮水力模型设计优化中通过CFD(计算流体力学)手段，通过对心脏泵内部流动壁面剪切力的精确捕捉与评估，实现叶轮水力型线的优化设计，在此基础上结合材料、涂层等技术，确保心脏泵的生理相容性指标。具体说明如下：一、初始水力设计1)比转速选择已知左心室泵设计参数：流量：Q＝5L/min＝0.3m/h，扬程：H＝2.5mH2O，转速：n＝5000r/min。计算泵的比转速：确定设计的心脏泵属于离心式低比转速泵的范畴，叶片形状为圆柱形叶片。2)计算泵的效率a)水力效率b)容积效率c)机械效率d)总效率η＝ηhηmηv＝0.7835×0.9657×0.9210＝0.69693)轴功率及原动机选择泵的轴功率：泵采用磁力驱动，设ηt＝1，安全系数Kg取1.2。原动机功率：pg＝K本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种心脏泵叶轮设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，通过计算泵的比转速确定叶片形状；步骤二，计算泵的效率；步骤三，计算泵的轴功率和原动机功率；步骤四，确定泵的进口直径、出口直径、进口速度、出口速度；步骤五，确定叶轮进口直径、叶片进口出直径、叶轮出口宽度和叶轮出口直径；步骤六，依据步骤二到步骤四中计算的尺寸，绘制出初步的轴面流道，进而确定轴面流道形状；步骤七，选择和计算进口边叶片安放角；步骤八，对轴面流线分点并画流线方格网；步骤九，确定叶片加厚图和叶片木模图；步骤十，基于溶血剪切率指标的心脏泵叶轮水力优化；步骤十一，基于步骤十的优化效果，进行叶轮才冲刷孔优化。

【技术特征摘要】
1.一种心脏泵叶轮设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，通过计算泵的比转速确定叶片形状；步骤二，计算泵的效率；步骤三，计算泵的轴功率和原动机功率；步骤四，确定泵的进口直径、出口直径、进口速度、出口速度；步骤五，确定叶轮进口直径、叶片进口出直径、叶轮出口宽度和叶轮出口直径；步骤六，依据步骤二到步骤四中计算的尺寸，绘制出初步的轴面流道，进而确定轴面流道形状；步骤七，选择和计算进口边叶片安放角；步骤八，对轴面流线分点并画流线方格网；步骤九，确定叶片加厚图和叶片木模图；步骤十，基于溶血剪切率指标的心脏泵叶轮水力优化；步骤十一，基于步骤十的优化效果，进行叶轮才冲刷孔优化。2.根据权利要求1所述的心脏泵叶轮设计方法，其特征在于，步骤一中，泵的比转速计算公式为其中Q为流量，H为扬程，n为转速。3.根据权利要求2所述的心脏泵叶轮设计方法，其特征在于，步骤二中，先计算泵的水力效率容积效率机械效率最终计算出总效率η＝ηhηmηv。4.根据权利要求3所述的心脏泵叶轮设计方法，其特征在于，步骤三中，泵的轴功率计算公式为原动机功率计算公式为pg＝Kgp/ηt，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘树红，左志钢，罗先武，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11