一种多级预旋的微型螺旋泵及其工作流程的制作方法

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一种多级预旋的微型螺旋泵及其工作流程的制造方法与工艺

本发明属于流体机械技术领域,涉及一种低噪声、多级预旋的微小型螺旋泵,特别涉及一种管道内壁有内置预旋凹槽和叶轮进口端有导流螺旋叶片的多级预旋的微型螺旋泵及其工作流程。



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。

微小型泵因其特殊的尺寸范围显现出其良好的应用前景,如电子设备的冷却系统、燃料电池的温度控制系统以及现在应用最广泛的医疗设备等。其中,医疗设备中的心脏辅助装置是应用机械或生物手段部分或完全替代心脏的泵机能,维持全身良好的血液循环状况的治疗方法。早期的辅助装置多为仿生式的隔膜式血泵。进入90年代后,国外很多研究中心纷纷转向微型叶轮式(特别是轴流式)血泵的研究,形成目前该领域的主流。

目前,微型血泵在临床应用时主要是离心泵和轴流泵两种。据临床实验和动物实验观察,离心泵和轴流泵的工作效果有以下的问题:血泵对于人体的生理辅助要求:对于血泵的驱动转速一般离心泵较小,n=4000~10000转/分钟;轴流泵较大,n=10000转/分钟以上,例如hemopump的转速可以达到n=26000转/分钟。

血液泵中血细胞在受到高剪切力时易破裂,高转速带来了微型螺旋泵内部流动的复杂性。由于螺旋泵自身的结构特点,会造成流动中靠近螺旋泵叶轮的流体形成较大的涡核结构,加剧了流动不稳定性,进一步的导致涡核部分的血细胞收到了极大的剪切力。涡核区域的存在是加剧流动不稳定性的因素,也是引起血细胞输运过程中破损的主要原因。

对于传统设计中,由于往常螺旋泵叶片是由螺旋线延展形成,转轴相切平滑,导致流体与螺旋叶片形成了较大的攻角,高速流动的流体直接冲击到螺旋叶片的压力面,进一步导致了在螺旋叶片的上有较大的压力梯度,造成在螺旋叶片的压力面上流动不稳定。在螺旋叶片的前缘和螺旋叶片的叶顶间隙处有密集的小尺度涡结构产生,叶顶间隙涡结构的存在是造成螺旋泵内部流动不稳定的主要因素。在高速旋转的螺旋泵中,叶顶间隙的大尺寸涡结构会破碎成小尺寸涡结构,涡破碎产生噪声并加剧了微型泵内部流动复杂性。

综上所述,对于高转速的螺旋泵,设计优化一种高效、内部流动涡核强度低、螺旋叶片压力面压力梯度小和叶顶间隙涡结构强度小的微小型螺旋血液泵极其重要。



技术实现要素:

本发明的目的是针对高速旋转的螺旋泵存在的螺旋泵叶轮前端存在大尺寸涡核问题以及螺旋泵叶片与输运液体进口角较大,易造成局部涡流和加剧流动不稳定等问题,提供一种管道内壁有内置预旋凹槽和叶轮进口端有导流螺旋叶片的多级预旋的微型螺旋泵及其工作流程。

本发明一种多级预旋的微型螺旋泵,包括螺旋泵套筒、螺旋叶轮、螺旋导叶和螺旋泵转轴;所述的螺旋泵套筒、螺旋叶轮和螺旋泵转轴同轴;螺旋泵套筒内壁开设有圆柱螺旋形凹槽,圆柱螺旋形凹槽、螺旋叶轮和螺旋泵转轴沿螺旋泵套筒进口端至出口端方向依次排布;螺旋叶轮的轮毂靠近圆柱螺旋形凹槽一端设置两片螺旋导叶,轮毂另一端与螺旋泵转轴固定。

所述的螺旋叶轮设有两片圆柱形螺旋叶片;两片圆柱形螺旋叶片形成的双螺旋线螺距h1为螺旋泵套筒内径的0.2~0.3,圆柱螺旋形凹槽与螺旋叶轮的间距l0=h1;圆柱螺旋形凹槽的双螺旋线螺距为h2,h2取值为1.2h1~1.5h1;圆柱螺旋形凹槽的两根螺旋线圈数相等;圆柱螺旋形凹槽的两根螺旋线起点在螺旋泵套筒周向上相差180°,在螺旋泵套筒轴向上位置相同。圆柱螺旋形凹槽的截面为倒置的等腰梯形。

所述的圆柱螺旋形凹槽与圆柱形螺旋叶片和螺旋导叶的旋向均相同;螺旋导叶的螺旋线终点与圆柱形螺旋叶片的螺旋线起点在螺旋叶轮轴向上的距离取值为0.2~0.3h1。两片螺旋导叶的螺旋线起点在螺旋叶轮周向上相差180°,两片圆柱形螺旋叶片的螺旋线起点在螺旋叶轮周向上也相差180°;两片圆柱形螺旋叶片的螺旋线圈数相等;两片螺旋导叶的螺旋线起点连线位于两片圆柱形螺旋叶片的螺旋线起点连线沿圆柱形螺旋叶片螺旋线旋向反向偏转θ角位置处,θ=30°。

所述螺旋导叶的螺旋线为圆锥螺旋线,两片螺旋导叶的圆锥螺旋线锥角相等,螺旋导叶的圆锥螺旋线锥角取60°~70°;两片螺旋导叶的螺旋线圈数相等,两片螺旋导叶形成的双螺旋线螺距取值为0.5~0.7h1,螺旋导叶的前缘与螺旋叶轮的轮毂侧表面相切。

所述螺旋导叶的压力面叶顶处设有凸起;凸起最高点和螺旋导叶压力面的垂直距离取值为0.3d1~0.5d1,d1为导叶厚度;螺旋导叶各横截面上,沿径向方向,凸起最高点至螺旋导叶叶根的距离l4为螺旋导叶的叶顶高度l3的90%~95%;螺旋导叶的螺旋线终点处的l3为圆柱形螺旋叶片的螺旋线起点处叶顶高度的5%~10%;凸起两侧与螺旋导叶压力面之间均通过圆弧面光滑过渡。

所述的螺旋泵转轴由电机驱动。

所述圆柱螺旋形凹槽的两根螺旋线圈数均为2~4圈;圆柱形螺旋叶片的螺旋线圈数为1~4圈;螺旋导叶的螺旋线圈数为1~4圈。

所述等腰梯形的高度为螺旋泵套筒内径的0.03~0.05,梯形下底与腰的夹角取值为50°~60°。

该多级预旋的微型螺旋泵的工作流程如下:

螺旋泵转轴由电机驱动,从而带动螺旋叶轮转动。流体由螺旋泵套筒的进口端进入,通过螺旋泵套筒内壁的圆柱螺旋形凹槽时,靠近螺旋泵套筒内壁的流体沿着圆柱螺旋形凹槽流动,使得流体在进入圆柱形螺旋叶片之前形成贴紧螺旋泵套筒内壁的运动预旋,从而降低螺旋泵套筒进口端轴线处的涡流强度,使得螺旋泵套筒进口端内壁处和轴线处的涡流强度变均匀。经圆柱螺旋形凹槽预旋后的流体进入螺旋导叶,由于螺旋导叶与螺旋叶轮的圆柱形螺旋叶片的螺旋线螺距不相等,且螺旋导叶的压力面叶顶处有圆弧面光滑过渡的凸起,对螺旋叶轮起引流导流作用,减弱流体对圆柱形螺旋叶片的冲击,降低圆柱形螺旋叶片压力面的压力梯度,减弱圆柱形螺旋叶片前缘的小尺度涡流现象;且螺旋导叶上的凸起使螺旋导叶上的流体导向圆柱形螺旋叶片的叶根处,通过对圆柱形螺旋叶片入流端流体的流向控制,减弱靠近螺旋泵套筒进口端的圆柱形螺旋叶片叶顶间隙处的流动不稳定状况,对圆柱形螺旋叶片前缘和圆柱形螺旋叶片间隙的涡流起到减弱作用,进而减弱叶轮入流端和靠近螺旋泵套筒进口端的圆柱形螺旋叶片叶顶间隙处的涡流噪声。

本发明的有益效果:

本发明通过在螺旋泵套筒的进口端设置圆柱螺旋形凹槽,靠近螺旋泵套筒内壁的血液会沿着圆柱螺旋形凹槽流动,使得输运血液在进入圆柱形螺旋叶片之前形成贴紧螺旋泵套筒内壁的运动预旋。螺旋叶片高速旋转造成的位于螺旋泵套筒进口端轴线附近的涡量的密集区是不可避免的,圆柱螺旋形凹槽引发的贴紧螺旋泵套筒内壁的运动预旋能够缓解螺旋泵套筒进口端的涡流强度,使得螺旋泵套筒进口端内壁存在较为均匀的涡流强度,整体上降低了在螺旋泵套筒进口端的涡流强度,改善输运流体(血液)的输运状况。

本发明在叶轮进口端设置螺旋导叶,螺旋导叶与螺旋叶轮的圆柱形螺旋叶片的螺旋线螺距不同,螺旋导叶的截面为压力面叶顶处有圆弧面光滑过渡的凸起,能够针对高速旋转的螺旋叶轮起到引流导流作用,对于螺旋叶轮,尤其是靠近螺旋泵套筒进口端的圆柱形螺旋叶片压力面上存在较大的压力梯度,圆柱形螺旋叶片的前缘还存在小尺度涡流的现象,能够减弱高速旋转的流体对圆柱形螺旋叶片的冲击,降低圆柱形螺旋叶片压力面的压力梯度;螺旋导叶上的凸起使螺旋导叶上的流体更多地流向圆柱形螺旋叶片的叶根处,通过对圆柱形螺旋叶片入流端流体的流向控制,能够减弱靠近螺旋泵套筒进口端的圆柱形螺旋叶片叶顶间隙处的流动不稳定状况,对于圆柱形螺旋叶片前缘和圆柱形螺旋叶片间隙的涡流起到减弱作用,同时也可以减弱叶轮入流端和靠近螺旋泵套筒进口端的圆柱形螺旋叶片叶顶间隙处的涡流噪声。

附图说明

图1为本发明的局部剖视立体图;

图2为本发明的半剖示意图;

图3为本发明的螺旋叶轮和螺旋导叶的结构立体图;

图4为本发明的螺旋叶轮的圆柱形螺旋叶片和螺旋导叶的安装位置示意图;

图5为本发明中螺旋导叶的圆锥螺旋线示意图;

图6为本发明的螺旋导叶截面示意图。

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。

设计思路:对于高转速的螺旋泵,要想设计优化出一种高效、内部流动涡核强度低、螺旋叶片压力面压力梯度小和叶顶间隙涡结构强度小的微小型螺旋血液泵,就是要弱化高速旋转的螺旋叶片形成的涡核结构,尤其是弱化高速叶轮进口前端的涡核强度,并针对螺旋叶片压力面压力梯度大,叶顶间隙存在大尺寸的涡结构问题对螺旋泵进行优化。

如图1所示,一种多级预旋的微型螺旋泵,包括螺旋泵套筒1、螺旋叶轮3、螺旋导叶4和螺旋泵转轴5;螺旋泵套筒1、螺旋叶轮3和螺旋泵转轴5同轴;螺旋泵套筒1内壁开设有圆柱螺旋形凹槽2,圆柱螺旋形凹槽2、螺旋叶轮3和螺旋泵转轴5沿螺旋泵套筒1进口端至出口端方向依次排布;螺旋叶轮3的轮毂靠近圆柱螺旋形凹槽2一端设置两片螺旋导叶4,轮毂另一端与螺旋泵转轴5固定。螺旋泵转轴5由电机驱动,从而带动螺旋叶轮高速转动。

如图2、3和4所示,设螺旋叶轮3宽度为l1,螺旋叶轮设有两片圆柱形螺旋叶片;两片圆柱形螺旋叶片形成的双螺旋线螺距h1为螺旋泵套筒1内径d0的0.2~0.3,圆柱螺旋形凹槽2与螺旋叶轮3的间距l0=h1;圆柱螺旋形凹槽的双螺旋线螺距为h2,h2取值为1.2h1~1.5h1;圆柱螺旋形凹槽的两根螺旋线圈数相等,均为2~4圈;圆柱螺旋形凹槽的两根螺旋线起点在螺旋泵套筒1周向上相差180°,在螺旋泵套筒1轴向上位置相同。圆柱螺旋形凹槽的截面为倒置的等腰梯形,等腰梯形的高度为螺旋泵套筒1内径d0的0.03~0.05,梯形下底与腰的夹角取值为50°~60°。

圆柱螺旋形凹槽与圆柱形螺旋叶片和螺旋导叶4的旋向均相同;螺旋导叶4的螺旋线终点与圆柱形螺旋叶片的螺旋线起点在螺旋叶轮轴向上的距离l2取值为0.2~0.3h1。两片螺旋导叶的螺旋线起点在螺旋叶轮周向上相差180°,两片圆柱形螺旋叶片的螺旋线起点在螺旋叶轮周向上也相差180°;两片圆柱形螺旋叶片的螺旋线圈数相等,均为1~4圈;两片螺旋导叶4的螺旋线起点连线位于两片圆柱形螺旋叶片的螺旋线起点连线沿圆柱形螺旋叶片螺旋线旋向反向偏转θ角位置处,θ=30°。

如图3、4和5所示,螺旋导叶的螺旋线为圆锥螺旋线,两片螺旋导叶的圆锥螺旋线锥角相等,锥角选取与轮毂头部形状有关,在本发明中螺旋导叶的圆锥螺旋线锥角φ取60°~70°;两片螺旋导叶的螺旋线圈数相等,均为1~4圈,两片螺旋导叶形成的双螺旋线螺距h3取值为0.5~0.7h1,螺旋导叶的前缘与螺旋叶轮3的轮毂侧表面相切。

如图6所示,螺旋导叶的压力面叶顶处设有凸起,能够针对高速旋转的螺旋叶轮起到引流导流作用。凸起最高点和螺旋导叶压力面的垂直距离d2取值为0.3d1~0.5d1,d1为导叶厚度;螺旋导叶各横截面上,沿径向方向,凸起最高点至螺旋导叶叶根的距离l4为螺旋导叶的叶顶高度l3的90%~95%,可见,l4是随l3变化而变化的;螺旋导叶的螺旋线终点处的l3为圆柱形螺旋叶片的螺旋线起点处叶顶高度的5%~10%;凸起两侧与螺旋导叶压力面之间均通过圆弧面光滑过渡。

该多级预旋的微型螺旋泵的工作流程如下:

螺旋泵转轴5由电机驱动,从而带动螺旋叶轮转动。流体由螺旋泵套筒的进口端进入,通过螺旋泵套筒内壁的圆柱螺旋形凹槽时,靠近螺旋泵套筒内壁的流体会沿着圆柱螺旋形凹槽流动,使得流体在进入圆柱形螺旋叶片之前形成贴紧螺旋泵套筒内壁的运动预旋,从而降低螺旋泵套筒进口端轴线处的涡流强度,使得螺旋泵套筒进口端内壁处和轴线处的涡流强度变均匀。经圆柱螺旋形凹槽预旋后的流体进入螺旋导叶,由于螺旋导叶与螺旋叶轮的圆柱形螺旋叶片的螺旋线螺距不相等,且螺旋导叶的压力面叶顶处有圆弧面光滑过渡的凸起,能对螺旋叶轮起引流导流作用,减弱流体对圆柱形螺旋叶片的冲击,降低圆柱形螺旋叶片压力面的压力梯度,减弱圆柱形螺旋叶片前缘的小尺度涡流现象;且螺旋导叶上的凸起使螺旋导叶上的流体导向圆柱形螺旋叶片的叶根处,通过对圆柱形螺旋叶片入流端流体的流向控制,减弱靠近螺旋泵套筒进口端的圆柱形螺旋叶片叶顶间隙处的流动不稳定状况,对圆柱形螺旋叶片前缘和圆柱形螺旋叶片间隙的涡流起到减弱作用,进而减弱叶轮入流端和靠近螺旋泵套筒进口端的圆柱形螺旋叶片叶顶间隙处的涡流噪声。

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