Устройство для аксиального нагнетания жидкостей
Устройство для осевого нагнетания жидкостей, в частности крови, в котором нагнетающая часть размещена полностью в магнитной подвеске и дополнена радиальной подвеской, обеспечивающей достаточную жесткость и демпфирование, за счет чего решены проблемы критических скоростей потока и отрицательные последствия гидродинамической и механической разбалансировки ротора. Магнитная подвеска дополнена гидродинамической подвеской, которая выполнена в виде закрепленного на нагнетающем элементе, по меньшей мере, одного цилиндрического поддерживающего кольца с симметрией вращения, причем поддерживающие кольца размещены в начале и/или в конце ротора или между этими положениями. 6 ил.
Изобретение касается устройства для аксиального нагнетания жидкостей в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
В частности, недостаточно стабильные многофазные жидкости, подвергающиеся воздействию внешних сил, зачастую претерпевают необратимые изменения, как, например, в случае эмульсий и дисперсий, и могут утратить требуемые стабильные свойства при прохождении через соответствующие устройства, такие как насосы.
Кровь является особенно чувствительной жидкой системой. Эта красная непрозрачная жидкость в теле позвоночных циркулирует в замкнутой системе сосудов, с помощью которой ритмические сокращения сердца нагнетают кровь в различные области организма. При этом кровь переносит дыхательные газы - кислород и двуокись углерода, а также питательные вещества, продукты обмена веществ и активные эндогенные компоненты. Система кровообращения, включающая сердце, герметично изолирована от окружающей среды таким образом, что в здоровом организме кровь не подвергается никаким изменениям, за исключением обмена веществами с соматическими клетками в процессе циркуляции, которая обеспечивается за счет сердца.
Известно, что кровь при контакте с неэндогенными материалами или в результате воздействия внешних сил имеет тенденцию к гемолизу и образованию сгустков. Образование сгустков может оказаться фатальным для организма, потому что может привести к закупорке сосуда в разветвленной системе кровообращения. Гемолизом называется такое состояние, когда эритроциты в организме необратимо повреждены.
Гемолиз может быть вызван механическим воздействием или нарушением обмена веществ. Обширный гемолиз вызывает повреждение большого числа жизненно важных органов и может привести к смерти человека.
С другой стороны, очевидно, что в принципе является вполне возможным при наличии некоторых конструктивных решений поддерживать нагнетающую способность сердца или даже заменять естественное сердце искусственным. Однако продолжительность функционирования имплантированных кардиостимулирующих систем или искусственных сердец в настоящее время имеет некоторые ограничения, поскольку взаимодействие этих искусственных устройств с кровью и с организмом в целом всегда все-таки вызывает нежелательные изменения крови и организма.
Из уровня техники известны аксиальные насосы для крови, которые, главным образом, состоят из цилиндрической трубы, заключающей в себя нагнетающий вращательный элемент, выполненный в виде ротора, сочетающегося с внешним статором мотора. Ротор, снабженный комплектом так называемых "лопастей", при вращении перемещает жидкость в осевом направлении. Серьезной проблемой является используемая в таких насосах подвеска ротора. Чисто механическая подвеска является нежелательной из-за того, что она вызывает повреждение крови и имеет относительно высокий коэффициент трения. Магнитные подвески, известные к настоящему времени, не дали удовлетворительных результатов работы в аксиальных насосах.
В международной публикации WO 00/64030 описано устройство для "деликатного" перекачивания однофазных и многофазных жидкостей только на основе магнитных подвесок. Для этой цели элементы подвески на основе постоянных магнитов, используемые для фиксации опоры, и элементы на основе постоянных магнитов, используемые в качестве ротора электродвигателя, предпочтительно встроены в нагнетательный элемент. Использование магнитной подвески в описанном решении дает возможность отказаться от размещения элементов подвески непосредственно в потоке перекачиваемой жидкости, как это делается обычно, но такое решение приводит к появлению стоячих зон и завихрений перекачиваемой жидкости, что оказывает негативное влияние на поток.
Магнитная подвеска в этом случае использует как аксиальные, так и радиальные силы. Осевая локализация нагнетающей части осуществляется активными методами, а радиальная подвеска нагнетающей части осуществляется исключительно пассивными методами, а именно за счет наличия постоянных магнитов. Тем не менее данная конструкция имеет ряд недостатков.
Пассивная часть магнитной подвески - радиальная - характеризуется относительно низкой жесткостью и амортизационной способностью, в связи с чем в процессе нагнетания возникают проблемы на определенных критических скоростях ротора и/или подвески. Возможность возникновения гидродинамической и механической разбалансировки серьезно влияет на функционирование насоса, особенно когда он используется для нагнетания крови.
Настоящее изобретение решает задачу создания такого устройства для аксиального нагнетания жидкостей, в котором нагнетающий элемент имеет чисто магнитную подвеску и в котором радиальная подвеска имеет достаточную жесткость и эффективную амортизацию с тем, чтобы устранить как проблемы прохождения через критические скорости, так и отрицательное влияние гидродинамической и механической разбалансировки.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для осевого нагнетания жидкостей, содержащем полый цилиндрический корпус, в котором соосно расположен нагнетающий элемент, снабженный магнитной подвеской и приводимый во вращение статором двигателя, расположенным снаружи полого корпуса, причем этот снабженный магнитной подвеской нагнетающий элемент имеет роторные лопасти, а дополнительно к магнитной подвеске используется гидродинамическая радиальная подвеска, согласно изобретению магнитная подвеска нагнетающего элемента включает активно стабилизированную магнитную осевую подвеску и пассивную магнитную радиальную подвеску.
Радиальная гидродинамическая подвеска может быть выполнена в виде закрепленного на нагнетающем элементе цилиндрического поддерживающего кольца с симметрией вращения.
Нагнетающий элемент может быть снабжен по меньшей мере одним поддерживающим кольцом.
Поддерживающие кольца на роторе двигателя размещены предпочтительно в начале и/или в конце ротора или между этими положениями.
Предпочтительно, чтобы осевой размер поддерживающего кольца максимально совпадал с осевым размером нагнетающего элемента.
Также предпочтительно, чтобы радиальный размер поддерживающего кольца совпадал с радиальным размером лопастей ротора.
Поддерживающее кольцо может быть скреплено с лопастями ротора.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, радиальный размер (толщина) поддерживающего кольца позволяет придать ему радиальный профиль, способствующий сглаживанию входящего потока, поступающего к лопастям нагнетающего элемента.
При этом поддерживающее кольцо может иметь такой осевой размер, что лопасти по всей своей длине ограничены в радиальном направлении поддерживающим кольцом.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, рабочая поверхность поддерживающего кольца, обращенная к внутренней стороне полого цилиндрического корпуса, имеет покрытие с аварийными антизадирными свойствами, которое является биологически совместимым.
Внутренняя поверхность поддерживающего кольца предпочтительно является профилированной.
Рабочая поверхность поддерживающего кольца предпочтительно снабжена рабочим ребром.
Жесткость и демпфирующие свойства нагнетающей части в радиальном направлении обеспечиваются, в основном, за счет сочетания магнитной и гидродинамической подвесок. Гидродинамическая подвеска выполнена в виде, по крайней мере, одного полого цилиндрического корпуса, обладающего симметрией вращения поддерживающего кольца, жестко скрепленного с нагнетающей частью. При соответствующем выполнении поддерживающего кольца ротор приобретает значительную радиальную устойчивость. Преимущественно, такой эффект наблюдается при значительных продольных размерах поддерживающего кольца или при оснащении ротора, по крайней мере, двумя поддерживающими кольцами.
При больших продольных размерах поддерживающего кольца и/или при значительном или полном перекрытии лопастей посредством такого кольца удается устранить разрушительные явления в области, примыкающей к краям лопастей.
Изобретение более подробно поясняется чертежами, а именно:
фиг.1 - продольное сечение осевого насоса с поддерживающим кольцом;
фиг.2 - схема размещения поддерживающего кольца на роторе;
фиг.3 - схема размещения двух поддерживающих колец на роторе;
фиг.4 - схема размещения поддерживающего кольца с профилируемой внутренней поверхностью;
фиг.5 - схема с поддерживающим кольцом по всей длине ротора, и
фиг.6 - схема с поддерживающим кольцом, снабженным рабочим ребром на рабочей поверхности.
В качестве примера на фиг.1 приведено продольное сечение относящегося к данной категории аксиального насоса с подвеской нагнетающего элемента 4 в соответствии с настоящим изобретением. Этот аксиальный насос состоит, в основном, из трубчатого, полого корпуса 1 и кожуха 3 насоса, в котором размещены статор 7 мотора и осевые стабилизаторы 6. Кожух 3 насоса непосредственно примыкает и охватывает полый цилиндрический корпус 1. Внутри полого цилиндрического корпуса 1 предусмотрено наличие устройства 5 для впуска жидкости и устройства 5' для выпуска жидкости, между которыми расположен нагнетающий элемент 4, приводимый во вращение статором 7 мотора. Нагнетающий элемент 4 снабжен магнитной подвеской, состоящей из постоянных магнитов 9 и 9', установленных на роторе 8 мотора, и постоянных магнитов 10 и 10', размещенных на впускных устройствах 5 и выпускных устройствах 5'. На роторе 8 нагнетающего элемента 4 предусмотрено размещение лопастей 11, на которых закреплено поддерживающее кольцо 11. Размещенный в магнитной подвеске нагнетательный элемент 4 приводится во вращение статором 7, при этом нагнетательный элемент 4 поддерживается в плавающем состоянии с помощью расположенных один напротив другого постоянных магнитов 9, 9' и 10, 10', являющихся элементами магнитной подвески, в сочетании с осевыми стабилизаторами 6, а поддерживающее кольцо 11 обеспечивает дополнительную гидродинамическую подвеску вращающегося нагнетательного элемента 4.
На фиг.2 показан ротор 8 мотора с комплектом лопастей 11 в полом цилиндрическом корпусе 1. В соответствии с изобретением поддерживающее кольцо в данном случае расположено в оконечной зоне статора 8. Перекачиваемая жидкость проходит между внутренней поверхностью 16 поддерживающего кольца 13 и ротором 8. Рабочая поверхность 14 поддерживающего кольца 13 скользит с минимальным зазором по внутренней стенке 2 полого цилиндрического корпуса 1.
Фиг 3. иллюстрирует расположение двух поддерживающих колец 13 и 13' на концах ротора 8. Полый цилиндрический корпус 1 на этом чертеже не изображен.
На фиг.4 показан дальнейший вариант конструкции поддерживающего кольца 13 согласно изобретению. На внутренней поверхности 16 поддерживающего кольца 13 виден профиль 15. Как можно заметить на продольном разрезе поддерживающего кольца 13, профиль 15 выполнен здесь в форме несущей поверхности. На этой схеме изображение полого цилиндрического корпуса 1 тоже не приводится.
В еще одном варианте реализации изобретения, приведенном на фиг.5, полый цилиндрический корпус 1 тоже не показан, а поддерживающее кольцо 13 закрывает полностью осевую длину ротора 8 с его комплектом лопастей 11. Перекачивание жидкости в этом случае также происходит между внутренней поверхностью 16 поддерживающего кольца 13 и ротором 8.
В следующем варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг.6, поддерживающее кольцо 13 имеет рабочую поверхность 14, снабженную выпуклым рабочим ребром 17, которое облегчает поддержание минимального зазора между рабочей поверхностью 14 и внутренней стенкой 2 полого цилиндрического корпуса 1 при одновременном снижении трения между ними.
1. Устройство для осевого нагнетания жидкостей, содержащее полый цилиндрический корпус, в котором соосно расположен нагнетающий элемент, снабженный магнитной подвеской и приводимый во вращение статором двигателя, расположенным снаружи полого корпуса, причем снабженный магнитной подвеской нагнетающий элемент имеет роторные лопасти, а дополнительно к магнитной подвеске используется гидродинамическая радиальная подвеска, отличающееся тем, что магнитная подвеска нагнетающего элемента включает активно стабилизированную магнитную осевую подвеску и пассивную радиальную магнитную подвеску, радиальная гидродинамическая подвеска выполнена в виде закрепленного на нагнетающем элементе, по меньшей мере, одного цилиндрического поддерживающего кольца с симметрией вращения, причем поддерживающие кольца размещены в начале и/или в конце ротора или между этими положениями.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осевой размер поддерживающего кольца максимально совпадает с осевым размером нагнетающего элемента.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что радиальный размер поддерживающего кольца совпадает с радиальным размером лопастей ротора.
4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что поддерживающее кольцо скреплено с лопастями ротора.
5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что радиальный размер (толщина) поддерживающего кольца позволяет придать ему радиальный профиль, способствующий сглаживанию входящего потока, поступающего к лопастям нагнетающего элемента.
6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что поддерживающее кольцо имеет такой осевой размер, что лопасти по всей своей длине ограничены в радиальном направлении поддерживающим кольцом.
7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что рабочая поверхность поддерживающего кольца, обращенная к внутренней стороне полого цилиндрического корпуса, имеет покрытие с аварийными антизадирными свойствами, которое является биологически совместимым.
8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что внутренняя поверхность поддерживающего кольца является профилированной.
9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что рабочая поверхность поддерживающего кольца снабжена рабочим ребром.
