一种双吸式血液泵水力设计

近年来全球心外科手术量呈持续上升的趋势[1-2],对人工心脏或体外循环血液泵的需求也大幅增加。因此,开发水力性能高、生理相容性好、流量控制精确和运行稳定的血液泵,对于延长晚期心衰患者的生存寿命、提高病人的生活质量有重要意义[3-4]。在血液泵开发中,尤其需要解决血液泵流道内非规则流动导致的血液凝聚和细胞破损问题。血液泵运行时,血细胞和血液泵转子、压水室等非生物材料的过流部件相接触,对血细胞造成机械性的损伤,容易产生凝血和溶血等生理相容问题[5]。凝血和溶血的形成源于血液泵内的基本流动特性:一方面由于叶片出口的混流、非均匀的流动收缩或扩散、叶片间流道内的二次流、较大范围的脱流等导致的复杂涡结构在流场内形成流动死区[3],这些流动死区造成血液的停滞和积淤并因此导致凝血的发生;另一方面,内部流动决定了流场剪切应力分布情况和血细胞流过血液泵所需要的时间,这对溶血的发生有很大影响。Giersiepen[6]指出:单个红细胞的溶血率与红细胞在泵体内受到的剪切应力的大小和受到剪切应力的作用时间有关,较大的剪切应力容易导致溶血的发生,剪切应力在0~255 Pa范围内对红细胞造成的破坏较小。

为了改善血液泵的流动状态、减小血液泵对血液的机械性损伤,进行血液泵的设计改进很有必要。Tsukamoto等研发了带冲刷孔叶轮的血液泵[7],Kaneko等研制了锥形螺旋沟槽轴承的血液泵[8],都是以新型的流道结构来改善血液泵的生理相容性。文[9]中报告了一种新颖的双吸无轴式血液泵,该泵采用双吸离心式结构和自循环流动设计,以改善血液泵的红细胞破坏、凝血和稳定性。本文在性能实验的基础上对该泵开展水力设计优化,通过数值模拟探讨各种设计参数对血液泵性能的影响。

1　流动部件设计

血液泵的基本结构请参见文[9]。

1.1　叶轮设计

图1为双吸式血液泵的叶轮结构。其中,D1、D2、β1、β2分别为叶轮的进口直径、出口直径、叶片进口安放角及出口安放角。D1、D2分别为10 mm、40 mm;泵进口、出口直径均为9 mm。采用双吸式的结构可以形成对称的血液泵内部流动,有利于平衡转子的轴向力。实验所用的血液泵样机叶轮称为Imp H0。

在样机叶轮Imp H0的基础上,保持叶轮外径及泵的进出口直径不变,在19~38°范围内间隔9°调整进出口安放角,设计了4种叶轮,即Imp H1—4。另外设计了径向式叶轮,即Imp H5。新设计的叶轮叶片数由5枚增加到6枚,叶片的进口直径与进口宽度稍微增大。各叶轮的β1、β2、叶片包角φ和叶片数Z见表1。

1.2　压水室设计

血液泵的压水室设计为螺旋型压水室,样机的压水室记为VA,新设计的压水室记为VB,φ0A、φ0B分别为2种压水室的起始角,如图2所示。表2给出了压水室的主要尺寸。其中,D3为基圆直径,b3为压水室进口宽,φ0为隔舌安放角, RⅧ为第Ⅷ断面半径,压水室断面均为矩形。