Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Предпосылки к разработке имплантируемой системы вспомогательного кровообращения 11
1.1. Начало развития и применения систем вспомогательного кровообращения и искусственного сердца 11
1.2. Классификация систем ВК и ИС по медицинским показаниям 12
1.3. Насосы пульсирующего типа 17
1.4. Насосы непульсирующего типа 21
1.4.1. Экстракорпоральные центробежные насосы 23
1.4.2. Имплантируемые центробежные насосы 28
1.4.3. Имплантируемые осевые насосы 32
1.5. Системы ВК в России 38
ВыводыкГлаве 1 41
Глава 2. Системное исследование семейства осевых насосов крови 43
2.1. Техническое задание 43
2.2. Системный анализ семейства осевых имплантируемых насосов крови 46
2.2.1. Определение системы вспомогательного кровообращения 46
2.2.2. Иерархическая структура имплантируемой системы вспомогательного кровообращения . 47
2.2.3. Основные принципы системного подхода 49
2.2.4. Декомпозиция системы ВК 49
2.2.5. Задача исследования эффективности системы осевого насоса крови 49
2.2.6. Критерии, определяющие качество насоса 50
2.2.7. Поэлементный анализ существующих конструкций осевых насосов ВК 53
2.2.8. Основные элементы конструкций осевых насосов 55
2.3. Синтез обликовых параметров конструкции осевого имплантируемого насоса ВК 74
2.3.1. Синтез структурной схемы конструкции осевого насоса 74
Выводы к Главе 2 78
Глава 3. Расчет и моделрірование осевого насоса имплантируемой системы вк 79
3.1. Проектирование модели осевого насоса 79
3.1.1. Техническое обеспечение 79
3.1.2. Программное обеспечение 80
3.2. Расчет основных параметров осевого насоса 81
3.3. Вычислительная гидродинамика 89
3.3.1. Система уравнений Навье - Стокса 90
3.3.2. Решение поставленной математической задачи 93
3.4. Определение расчетной сетки 94
3.5. Поверочный расчет углов входа моделированием течения внутри прямого канала 110
3.6. Определение оптимальной геометрии входной части шнека 113
3.7. Проектирование шнека 118
3.8. Моделирование течения в межлопаточных каналах 122
3.8.1. Определение угла входа лопатки на периферии 124
3.8.2. Определение угла входа лопатки у основания 125
3.8.3. Определение угла выхода 126
3.8.4. Синтез геометрических параметров шнека 127
3.8.5. Проектирование спрямляющего аппарата 128
3.8.6. Моделирование течения в шнеке с учетом спрямляющего аппарата 131
3.8.7. Моделирования течения в полном насосе 133
Выводы к Главе 3 134
Глава 4. Проектирование, создание и испытание опыт ного образца осевого насоса системы ВК 136
4.1. Проектирование прототипа осевого насоса 136
4.2. Создание прототипа 137
4.3. Проведение стендовых испытаний осевого насоса 139
4.3.1. Подготовка гидродинамического стенда 139
4.3.2. Снятие расходно-напорных характеристик 141
4.4. Разработка опытного образца для проведения медицинских испытаний 143
Выводы к Главе 4 145
Общие выводы 146
Заключение 149
Список литературы
- Классификация систем ВК и ИС по медицинским показаниям
- Определение системы вспомогательного кровообращения
- Расчет основных параметров осевого насоса
- Проведение стендовых испытаний осевого насоса
Введение к работе
В настоящее время во всех развитых странах первое место занимает смертность больных от сердечно-сосудистых заболеваний - только в России и США ежегодно погибает около 2,5 млн. человек.
Наиболее эффективным методом лечения больных в терминальной стадии сердечной недостаточности является трансплантация сердца. В США выполняется около 2,5 тыс. операций по трансплантации сердца в год, тогда как потребность в них составляет 70 тыс. В России потребность в пересадке сердца составляет около 25 - 30 тыс. операций в год,. в то время как реализованных операций -' единицы. При таком количестве пациентов единственной альтернативой трансплантации являются методы механической поддержки работы сердца (искусственное сердце, искусственные желудочки сердца, имплантируемые и неимплантируемые насосы крови).
Высокая смертность пациентов в ожидании пересадки сердца привела к формированию метода двухэтапной трансплантации, при которой на первом этапе осуществляется механическая поддержка кровообращения, так называемый «мост», с помощью искусственного сердца или систем вспомогательного кровообращения, а на втором - непосредственно, пересадка донорского сердца.
В наиболее развитых странах на исследования по клиническому применению искусственного сердца финансирование осуществляется как за счет государственных источников, так и за счет инвестирования частных средств. Общая сумма финансирования этой проблемы только в США превышает 50 млн. долларов в год.
В России одним из ведущих медицинских учреждений, занимающимся данной проблемой, является НИИ Трансплантологии и Искусственных Органов. Имеются проработки по созданию и внедрению в клиническую практику отечественных систем вспомогательного и искусственного
7 кровообращения, которые по эффективности не уступают зарубежным аналогам и более экономичны.
К сожалению, финансирование исследований из бюджетных средств в последнее десятилетие было прекращено. Лишь в настоящее время появилась возможность вновь вплотную заняться проблемой разработки и внедрения отечественных исследований механических устройств искусственного кровообращения для нужд кардиохирургических клиник страны.
Несмотря на огромную потребность в системах искусственного и вспомогательного кровообращения в клиниках страны, приобретение зарубежных аналогов практически невозможно, т. к. их стоимость слишком высока. Например, стоимость одного комплекта имплантируемой системы «Новакор» (США) составляет 300 тыс. долларов. Кроме того, на сегодняшний день не существует ни одной системы, которая на 100% отвечала бы всем медико-техническим требованиям и была бы полностью травмобезопасна для форменных элементов крови.
Именно поэтому, отечественные исследования в области разработки и внедрения систем искусственного и вспомогательного кровообращения являются наиболее актуальными и востребованными.
Основными потребителями таких систем являются кардиохирургические учреждения основных федеральных и административных центров Российской Федерации.
Цель диссертации: разработка методологии проектирования и создания осевого насоса имплантируемой системы вспомогательного кровообращения.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследования:
Провести формализованный системный анализ конструктивных элементов отобранных аналогов и патентный поиск технических решений.
На основе структурного синтеза разработать облик новой проектируемой конструкции осевого насоса по приоритетам определяющих критериев минимального гемолиза и вероятности тромбообразования.
На основе компьютерного математического моделирования течения крови разработать методологию гидродинамического расчета основных рабочих элементов осевого насоса.
Определить оптимальные геометрические параметры основных рабочих элементов предложенной конструкции насоса.
Спроектировать и создать прототип осевого насоса имплантируемой системы вспомогательного кровообращения.
Разработать испытательный стенд и методику для снятия расходно-напорных характеристик прототипа, а также провести основные технические испытания.
Разработать опытный образец насоса для проведения гемолизных испытаний и испытаний на тромбообразование.
Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены новые научные результаты.
Обоснованы основные требования к проектированию и созданию конструкции осевого насоса - основного элемента имплантируемой системы вспомогательного кровообращения.
С помощью методов анализа и синтеза разработана новая схема компоновки осевого насоса крови, отличающаяся минимальными застойными зонами и боковыми непроточными полостями.
Показано, что существующие классические формулы и зависимости для расчета насосных агрегатов, основанные на эмпирических коэффициентах, не полностью пригодны для проектирования миниатюрных малорасходных насосов.
Разработана методология проектирования и оптимизации геометрии основных рабочих элементов с помощью методов компьютерного математического моделирования гидродинамических процессов.
Разработаны испытательные стенды для исследования и снятия характеристик опытного образца осевого насоса.
9 6. Исследованы динамические характеристики имплантируемой системы вспомогательного кровообращения. Практическая ценность работы:
Разработана и спроектирована конструкция осевого насоса имплантируемой системы вспомогательного кровообращения.
Сравнительными расчетами найдены оптимальные параметры расчетной сетки конечных элементов для получения точных результатов моделирования при наименьшем потреблении компьютерных и временных ресурсов. Полученные параметры сетки также могут быть рекомендованы для использования при расчетах любых других течений с близкой геометрией.
Создан прототип модели осевого насоса.
Созданы исследовательские стенды и разработаны методики для снятия технических параметров и медико-биологических характеристик нового осевого насоса крови.
Область применения и внедрения результатов исследования:
Основные положения и результаты диссертационной работы внедрены в лабораторию ИК и ИС НИИ Трансплантологии и Искусственных Органов и МНПК «Авионика» и могут быть применены при серийном производстве имплантируемых систем вспомогательного кровообращения. Предложенная методология может быть использована для создания миниатюрных малорасходных насосов.
Структура и объем диссертации:
Работа состоит их введения, 4 глав собственного материала, общих выводов, заключения, списка литературы из 93 наименований и 6 приложений. Основное содержание работы изложено на 159 страницах, содержит 76 рисунков и 17 таблиц.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства Образования РФ.
Апробация работы проведена на базе НИИ трансплантологии и искусственных органов, Московском авиационном институте и научном семинаре факультета БМТ МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных научно-технических семинарах и конференциях (Алушта, МАИ, Ярополец).
Работа выполнена в ФГУ Научно-исследовательском институте трансплантологии и искусственных, г. Москва (директор - академик РАН и РАМН В.И.Шумаков).
Автор выражает искреннюю благодарность руководителям работы -заведующему сектором искусственного сердца и вспомогательного кровообращения НИИТиИО д.б.н., профессору Иткину Г.П. и заместителю декана факультета Робототехнических и интеллектуальных систем МАИ д.т.н., профессору Нестерову В.А, а также заместителю главного конструктора МНПК «Авионика» к.т.н. Красильникову А.А. и д.т.н. профессору Байбикову А.С. - за помощь, оказанную при проведении настоящего исследования.
Классификация систем ВК и ИС по медицинским показаниям
К первой группе относятся пациенты, которых после проведения операции на открытом сердце невозможно отключить от аппарата искусственного кровообращения (ИК) (2-8% пациентов). Это, так называемые, пациенты с посткардиотомическим кардиогенным шоком. Обход левого желудочка (ОЛЖ) сердца является оптимальным методом поддержания гемодинамики при острой сердечной недостаточности (ОСН), развившейся после операций на открытом сердце, когда ни интенсивная медикаментозная терапия, ни применение внутриаортальнои контрпульсации (ВАКП) не позволяют прекратить искусственное кровообращение (ИК). Как правило, длительность такой поддержки составляет от нескольких дней до нескольких недель.
Ко второй группе относятся пациенты с острым поражением сердечной мышцы (инфаркт миокарда, острый миокардит и др.). В этом случае, для преодоления периода возникшей критической сердечной недостаточности (СН) необходима временная гемодинамическая поддержка. Вероятность восстановления нормальной деятельности сердца через определенный период времени в сочетании с интенсивной медикаментозной терапией достаточно высока [32]. Время применения систем у таких больных от 1 недели до нескольких месяцев, а иногда и до года. Имеется положительный опыт применения аппаратов ВК как «моста к выздоровлению» с последующим отключением системы и практически полной компенсацией сердечной деятельности.
К третьей группе относятся пациенты, ожидающие трансплантации сердца. Функцию сердца у таких больных восстановить практически невозможно, и ВК используется как «мост к трансплантации» донорского сердца [67]. С началом использования циклоспоринов в клинической практике пересадки органов, трансплантация сердца стала одним из наиболее эффективных методов лечения тяжелой степени поражений миокарда. Однако, к сожалению, многие пациенты из-за дефицита донорских органов погибают, не дождавшись необходимого трансплантата. В этом случае, применение систем ВК в качестве «механического моста» позволяет реципиентам пережить период ожидания донорского сердца.
В соответствии данной классификации создаются и используются системы ВК, предназначенные для кратковременной помощи сердцу при левосторонней, правосторонней или бивентрикулярной СН. Кратковременно применяемые АВК используются как мост для восстановления собственного сердца при острой, но потенциально реверсируемой форме сердечной недостаточности. Эти системы в основном используются у больных первой и второй группы.
Системы ВК длительного применения (месяцы, годы) в основном используются у пациентов третьей группы, ожидающих донорское сердце [26]. Причем, для этого используются как системы ВК, так и полная замена сердца на искусственный аналог, т.е. искусственное сердце. Поэтому, временной период ожидания донорского сердца может быть увеличен за счет двухэтапной операции по замене сердца системой механической поддержки миокарда. В течение работы системы ВК состояние пациента может стабилизироваться и даже улучшится. Недавние работы показывают, что при длительном применении ВК миокард может восстанавливаться у пациентов с конечной стадией СН. Такие пациенты переходят из состояния IV степени СН (по международной классификации СН) в III и даже во II степень [67]. Это подтверждает, что ВК не только стабилизирует состояние пораженного миокарда, но также становится альтернативной терапией для лечения СН у пациентов, ранее рассматривавшихся только как потенциальные реципиенты. Последние исследования [44] ультраструктуры миокарда до и после использования ВК показали значительное уменьшение некроза и апоптоза миоцитов, снижение миоцитолиза, улучшение контрактильного аппарата кардиомиоцитов, снижение выработки межклеточного коллагена и развития фиброзного процесса. Морфологические сдвиги сопровождались улучшением геометрии левого желудочка (ЛЖ), толщины стенки и объема ЛЖ.
Кроме того, применение систем ВК и ИС для постоянной имплантации показано пациентам, которых нельзя рассматривать в качестве потенциальных реципиентов [3, 4]. К таким пациентам относятся больные с инсулинозависимыми формами диабета, хронической почечной недостаточностью, имеющих верхнюю возрастную категорию (старше 65 лет) и больные с конечной стадией СН [74].
Основа применения ВК состоит в снижении ударной работы (УР) сердца, которая равна произведению ударного объема (УО) на давление внутри желудочка. Поскольку при СН в большей степени страдает левый желудочек (ЛЖ), выполняющий в несколько раз большую УР, чем правый, то, соответственно, последняя равна произведению ударного выброса на внутрижелудочковое давление в ЛЖ.
Очевидно, что работа миокарда может быть снижена как за счет снижения объема перемещаемой им крови (снижение преднагрузки), так и за счет снижения противодавления сердечному выбросу (снижение постнагрузки). Кроме того, возможна и совмещенная разгрузка, как по объему, так и по давлению.
Однако, помимо чисто энергетических взаимоотношений, имеющих место при СН и требующих использования методов ВК, необходимо также учитывать и другие очень важные факторы:
- первый, наиболее важный из них, состоит в том, что в условиях некомпенсированной СН миокард снижает свою производительность и не обеспечивает органы и ткани организма адекватным кровотоком. Поэтому помимо энергетической разгрузки задача методов ВК состоит в восстановлении требуемого организму кровотока;
Определение системы вспомогательного кровообращения
На основании исследования биомеханики сердца и свойств крови как реологической жидкости [19, 20, 25], были определены основные медико-технические параметры и характеристики, которые являются обязательными и необходимыми условиями для разработки конструкции осевого насоса.
Проектируемая система должна обладать следующими медико-техническими параметрами и характеристиками: насос должен обеспечивать расход крови в пределах от 2 до 6 л/мин.; максимальное противодавление на выходе насоса - 150 мм рт.ст.; номинальный рабочий режим насоса - 5 л/мин при 100 мм рт.ст.; скорость вращения ротора - 10000.. .12000 об/мин, при этом должно быть обеспечено: о по возможности, ламинарный режим течения потока крови; о исключены зоны стагнации и рециркуляции потока для снижения вероятности тромбообразования при минимальной антитромбогенной терапии; о исключены явления кавитации; конструкция насоса должна быть достаточно простой; конструкции частей насоса, контактирующие с кровью, должны обеспечивать отсутствие застойных зон и зон с повышенными сдвиговыми напряжениями; объем заполнения насосной камеры кровью - не более 15-20 мл; материалы конструкции, контактирующие с кровью должны быть биологически совместимыми и не оказывать вредных воздействий на организм; - вторичная обмотка системы чрезкожной передачи энергии; - блок контроля и автоматизированного управления работы системы; - блок питания.
Внешняя подсистема: - блок контроля, внешнего управления и передачи информации на стационарный пункт; - основной блок питания; - резервный блок питания; - первичная обмотка системы чрезкожной передачи энергии.
Коммутация подсистем осуществляется через систему дистанционной передачи данных и энергии.
Для разработки, проектирования и создания конструкции осевого имплантируемого насоса системы ВК необходимо последовательно и систематизировано изучить существующие на сегодняшний день конструкции осевых насосов крови.
В работе рассмотрено приложение методов системного анализа к задаче исследования и формирования облика объекта новой конструкции на стадии поискового проектирования и разработки технического предложения. Именно эта стадия в решающей степени определяет эффективность разрабатываемой конструкции аппарата для перекачивания крови.
Исследование технической системы «Устройство для нагнетания крови» проведено на основе применения теории системного анализа и синтеза для определения и разработки аппарата перекачивания крови системы вспомогательного кровообращения, как сложной технической системы, что в свою очередь определило методы решения поставленной задачи: 1. Разработка общей схемы поставленной задачи и основных ее этапов. 2. Декомпозиция сложной системы и сложных объектов. 3. Способы формирования целей и задач назначения и согласование критериев. 4. Методические основы формирования альтернатив. 5. Общая методология подготовки и формирования решения, включая неформальные процедуры.
Определение системы вспомогательного кровообращения как сложной технической системы, подразумевает наличие совокупности систем (аппарат нагнетания крови, система привода, система контроля и управления и другие системы), выступающих по отношению к внешней среде и к другим системам как единое целое. Системы характеризуются множеством взаимосвязанных элементов, каждый из которых прямо или косвенно связан с каждым другим элементом. Система состоит из компонентов двух типов:
- элементы системы - минимальные в смысле разбиения для данной задачи части, выполняющие определенные функции. С точки зрения аппарата кровообращения элементы системы есть конструктивные элементы насоса крови, каждый из которых выполняет свою определенную функцию.
подсистемы - системы более низкого уровня, которые расчленяются дальше на свои компоненты. Определенные элементы конструкции насоса крови составляют собственную подсистему, которая при наличии внешних и внутренних взаимосвязей решает свою определенную задачу.
Расчет основных параметров осевого насоса
Математическое моделирование физических процессов течения жидкости возможно осуществить только с использованием современных методов вычислительной гидродинамики, так называемых, методов CFD (Computational Fluid Dynamics). CFD - это компьютерные программные комплексы для моделирования характера систем, включающих течение жидкости, теплообмен и другие связанные физические процессы. Они основаны на решении дифференциальных уравнений течения жидкости в заданной области с определенными граничными и начальными условиями. Уравнения, которые описывают законы сохранения массы, импульса и энергии среды в нестационарной постановке задачи, известны как уравнения Навье - Стокса. Кроме того, используются уравнения состояния компонентов текучей среды, а также эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности этих компонентов среды от температуры. Кроме того, свойства неньютоновских жидкостей задаются зависимостью их коэффициента вязкости от скорости сдвиговых напряжений и температуры; сжимаемых жидкостей - зависимостью их плотности от давления. Этими уравнениями моделируются как ламинарные, так и турбулентные течения. Для моделирования турбулентных течений уравнения Навье - Стокса осредняются по Рейнольдсу, в результате появляются дополнительные члены - напряжения по Рейнольдсу. Для замыкания этой системы уравнений используются уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и ее диссипации в рамках к - є модели турбулентности. Описанные таким образом физические процессы течения определяют задачу моделирования, решение которой проводится методом конечных объемов [1]. В этом методе вся расчетная область разбивается на маленькие подобласти (ячейки), называемые контрольными объемами. Уравнения дискретизируются и решаются многократно для каждого контрольного объема. В результате получается аппроксимация величины каждой переменной в определенных точках по всей области определения. Таким образом, формируется полная картина характера течения.
Эта система уравнений сохранения массы, импульса и энергии нестационарного пространственного течения имеет следующий вид в рамках подхода Эйлера в декартовой системе координат (х/5/ = 1,2,3), вращающейся с угловой скоростью Q вокруг оси, проходящей через ее начало: где t - время, и - скорость текучей среды, р - плотность текучей среды, Р-давление текучей среды, S}- внешние массовые силы, действующие на единичную массу текучей силы: St orous- действие сопротивления пористого тела, Si gravi[y- действие гравитации, Sirotation- действие вращения системы координат, т.е. \ i, porous і,gravity і,rotation \J.L) Е- полная энергия единичной массы текучей среды, QH - тепло, выделяемое тепловым источником в единичном объеме текучей среды, тік- тензор вязких сдвиговых напряжений, q- диффузионный тепловой поток, нижние индексы означают суммирование по трем координатным направлениям.
Для ньютоновских текучих сред тензор вязких сдвиговых напряжений определяется следующим образом: ( Л. ,4 л.. Л -lpk89, (3.23) дії: ди: 2 ди, _ — - + —+- -д. dxj dxj 3 дх[ где ц щ +ц( -щ- коэффициент динамической вязкости, /і,- коэффициент турбулентной вязкости, 8jj- дельта-функция Кронекера (Sy=l при i = j; 8tj = 0 при i j), к- кинетическая энергия турбулентности. В соответствии с к - є моделью турбулентности, \it определяется через величины кинетической энергии турбулентности к и диссипации этой энергии є:
Для моделирования ламинарных течений данная система уравнений . несколько модифицируется, а именно \xt = 0 и & = 0.С помощью функции / моделируется переход ламинарного течения в турбулентное и наоборот. Ламинарные и турбулентные пограничные слои течения около поверхностей твердого тела, а также переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный и наоборот, моделируются с высокой точностью с помощью модифицированных универсальных пристеночных функций.
Гравитация Влияние гравитации моделируется с помощью члена Sigravity, входящего в состав суммарной массовой силы: Si,gravity=-Pgi (3-32) где gj- і -я составляющая (вдоль / -й оси системы координат) вектора гравитационного ускорения.
Вращающаяся система координат Т.к. расчет течения в шнеке выполняется во вращающейся системе координат, то для суммы (3.22) определяется член Sirotation с помощью следующей формулы: Si, rotation = -2eijkQjPuk + Р&2П (3-33) где вук- функция Леви-Чивитта, Q - угловая скорость вращения системы координат, г- радиус-вектор, приходящийся в данную точку пространства от ближайшей к ней точки, лежащей на оси вращения данной системы координат.
Проведение стендовых испытаний осевого насоса
С учетом определенных оптимальных параметров расчетной сетки поставлена задача определения значений осевых и окружных составляющих скорости течения в прямом канале для сравнения результатов классического расчета и моделирования, анализа адекватности результатов моделирования и коррекции опорных значений углов входа для проведения комплексного моделирования.
На основе построенной компьютерной твердотельной модели течения внутри прямого канала сгенерирована расчетная сетка конечных элементов с выделенными областями уменьшенных ячеек для дополнительной детализации и определенными приграничными слоями. В препроцессоре CFX заданы входные условия задачи: - скорость вращения втулки: 10000 об/мин; - расход на входе: 5 л/мин; - давление на выходе: 0 Па; - условие прилипание на стенках: без скольжения; - условие окончания расчета: достижение точности сходимости невязки 0,00001.
После проведенного расчета в постпроцессоре построена плоскость, перпендикулярная оси вращения. В данной плоскости определена окружная скорость по графику функции u = ffiv? (3.35) Окружная скорость (моделированная) у основания втулки Щвт.мод=№6мІС Окружная скорость (моделированная) на периферии лопатки Щш.мод.=7 76м/с Интегрированное среднее значение окружной скорости Щсрмод. = 6,223м/с Осевая скорость (Velocity и) по оси вращения также определена в перпендикулярной плоскости начала лопатки. Осевая скорость (моделированная) по втулке ст\вт.мод.= 476м/с Осевая скорость (моделированная) на периферии ст1ш.л,од.=№м/с Интегрированное среднее значение осевой скорости ст\ср.мод.= 425м/с На основании полученных путем моделирования течения значений скоростей аналогично классическому расчету определены углы входа лопатки: Угол потока на входе в шнек у основания втулки Кт.моЬ. = arctgi ] = 15,66 (3.36) \ Щвтмод. J Угол потока на входе в шнек на периферии лопатки Р\ш.мод=агс (с т\ш.мод V и\ш.мод J
На основании сравнения результатов, полученных классическими расчетами с результатами, полученными моделированием, сделан вывод о том, что значение угла входа лопатки на периферии практически полностью совпадает в обоих случаях. Это свидетельствует об адекватности решения задачи методом моделирования и хорошей сходимости. В тоже время, значение угла входа лопатки у основания втулки полученное при моделировании, больше на 2,426 градуса, чем расчетное значение. Причина такой разницы может заключаться в учете условий прилипания в пристеночной области при компьютерном моделировании течения. Таким образом, при дальнейшем проектировании лопаток за исходные значения углов приняты результаты проведенного моделирования.
Суть исследования заключается в определении такой геометрии входной части шнека, при которой будут наименьшие гидравлические потери. При этом длина обтекаемой части вращающегося шнека также должна быть минимальной, т.к. этот параметр влияет на общие габариты конструкции осевого насоса крови.
Первоначально был рассмотрен вариант обтекателя в форме прямого конуса с различными углами наклона, начиная с длины 30 мм (8 градусов), как максимально допустимой. Затем проведен пересчет вариантов с уменьшением шага наклона в 2 градуса. Также были рассмотрены несколько вариантов обтекателей различной геометрической формы, отличной от конической (выгнутые и вогнутые обтекатели).
Для расчета выбраны три длины обтекателя L, которые соответствуют конусам с наименьшими параметрами потерь и углами 12, 14 и 16, Результаты расчета приведены в таблице 11. Картина распределения полного давления в канале насоса показана на рисунке 3.19. Как видно из таблицы результатов наименьшая разница давлений соответствует обтекателю длиной 14 мм. Однако в целом можно сделать вывод о том, что все геометрии выпуклых обтекателей дают большую разницу давлений, нежели прямые конические формы и, соответственно, имеют несколько большие потери.В результате проведенных расчетов определена оптимальная геометрия втулки, соответствующая прямому конусу с углом 14. Данный вариант имеет наименьшую разницу интегральных значений полного давления на входе и выходе конуса, что косвенно отображает минимум гидравлических потерь потока крови в данном участке насоса.
Проектирование шнека
На основании рассчитанных параметров шнека и определенных входных углов на периферии и у основания втулки спроектирована параметрическая компьютерная модель шнека.
Проектирование лопатки шнека ведется с построения профиля лопатки на плоской развертке (рис. 3.21). Развертка разбита на сектора, соответствующие длине дуги на отрезке в 30 градусов. Таким образом, полученная развертка соответствующая цилиндрической поверхности разбита на 12 секторов.
На развертке простроен профиль лопатки с требуемыми углами входа и выхода. Для первого сектора задано расстояние от начала развертки (от начала втулки) до профиля лопатки. Для второго сектора задано расстояние от полученного значения первого сектора до профиля лопатки и т.д. На основании всех полученных значений расстояний в модели построены плоскости, перпендикулярные оси вращения шнека. В каждой плоскости построены линия, соответствующая углу данного сектора, длинной, равной радиусу образующей цилиндр окружности. Все построенные радиальные прямые соединяются между собой прямыми отрезками. Спроецированные на цилиндрическую поверхность соединительные отрезки, объединены в единую образующую кривую (рис. 3.22). Эта кривая соответствует образующей лопатки, построенной в плоской развертке, и может проектироваться на цилиндрическую поверхность любого диаметра. В данном случае диаметр соответствует наружному диаметру лопаток шнека.
Так как рассчитанные углы входа лопатки у втулки и на периферии значительно отличаются, аналогичным образом построена вторая образующая кривая, соответствующая кривой лопатки у втулки (рис. 3.23).
![Научное обоснование и разработка модели прогнозирования исходов болезней системы кровообращения на уровне популяции на основании оценки индивидуального риска [Электронный ресурс]](/i/i/4472/168245.png "Научное обоснование и разработка модели прогнозирования исходов болезней системы кровообращения на уровне популяции на основании оценки индивидуального риска [Электронный ресурс] Леонов Николай Вячеславович")
