Nghiên cứu tính toán mô phỏng và khảo sát thiết kế vi bơm hướng trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỖ THÀNH CÔNG

Đỗ Thành Công

KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT
BỊ THỦY KHÍ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT
THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC (KỸ THUẬT)
KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

KHOÁ 2009

Hà Nội – Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Đỗ Thành Công

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT
THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC

Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
2.

Hà Nội – Năm 2011


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................. 7
MỞ ĐẦU........................................................................................................................ 9
CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ........................................................ 10

1.1

Tổng quan về vi bơm...................................................................................10

1.2

Vi bơm cánh dẫn..........................................................................................13

1.3

Vài nét về các nghiên cứu vi bơm trong và ngoài nước ..............................19

1.4

Hoạt động của tim người .............................................................................19

1.5

Vấn đề nghiên cứu .......................................................................................22

CHƯƠNG 2:
2.1
2.1.1
2.2

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC.................... 23

Cơ sở lý thuyết thiết kế ............................................................................23
Các phương pháp thiết kế bơm hướng trục ............................................. 23
Cơ sở lý thuyết của phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin ........................26

2.3 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng vi bơm hướng trục theo phương pháp
Vôzơnhexenski-Pêkin ...........................................................................................33
2.3.1

Xác định các thông số của vi bơm hướng trục. ....................................... 33

2.3.2

Tính độ mau tối thiểu cho phép [L/T] của lưới cánh bánh công tác ....... 36

2.3.3

Tính cung mỏng của profin cánh bánh công tác...................................... 37

2.3.4

Tính cung tương đương của profin cánh bánh công tác .......................... 38

2.3.5

Tính toán cánh hướng vi bơm hướng trục ............................................... 39

2.3.6

Tính lưới cung mỏng của cánh hướng ..................................................... 41

2.3.7

Tính cung tương đương của profin cánh hướng ...................................... 42

2.5

Ứng dụng SolidWorks xây dựng kết cấu dẫn dòng bơm hướng trục ......... 43

2.6

Kết luận ....................................................................................................... 48

1 
 

CHƯƠNG 3:

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỐ VI BƠM HƯỚNG TRỤC .............. 49

3.1

CFD và Máy thuỷ lực ..................................................................................49

3.2

Căn bản lí thuyết tính toán trong Ansys Fluent...........................................52

3.3

Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng trong Fluent ..................................54

3.4

Kết quả mô phỏng........................................................................................58

3.4.1

Đặc tính bơm mô phỏng .......................................................................... 59

3.4.2

Ảnh hưởng khe hở thủy lực giữa bánh công tác và vỏ bơm:.................. 66

3.4.3

Dòng chảy trong bơm: ............................................................................. 68

3.4.4

Lực hướng trục tác dụng lên BCT trong quá trình hoạt động: ............... 69

3.5

Ảnh hưởng độ nhớt tới dòng chảy trong bơm .............................................70

3.6

Kết luận........................................................................................................73

CHƯƠNG 4:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC VỚI HIỆU CHỈNH L/T........ 74
4.1

Tính toán thiết kế và xây dựng mô hình......................................................74

4.2

Tính toán mô phỏng số và kết quả...............................................................75

4.2.1

Xây dựng mô hình bài toán...................................................................... 75

4.2.2

Điều kiện biên và thông số khảo sát ....................................................... 76

4.2.3

Kết quả mô phỏng.................................................................................... 77

4.3

Xây dựng hệ thống thực nghiệm khảo cứu mô hình vi bơm hướng trục ....91

4.3.1

Sơ đồ hệ thống, phương pháp thí nghiệm................................................ 91

4.3.2

Kết quả đo đạc các đường đặc tính thực nghiệm vi bơm ........................ 95

4.3.3 Kết luận: ....................................................................................................... 98
4.4 Kết luận...........................................................................................................99
CHƯƠNG 5:

TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................... 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 101
PHỤ LỤC................................................................................................................... 102
Phụ lục chương 2 ................................................................................................102
Phụ lục chương 4: ...............................................................................................111
Bài báo khoa học………………………………………………………………111

2 
 


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả

Đỗ Thành Công

3 
 


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

γ

Trọng lượng riêng

η

Hiệu suất lưu lượng và thủy lực

%

ηB

Hiệu suất làm việc của bơm

%

ηtl

Hiệu suất thủy lực

%

ηQ

Hiệu suất lưu lượng

%

ER

Độ suy giảm cột áp của máy bơm bùn

-

kE

Hệ số suy giảm hiệu suất của máy bơm bùn

-

kQ

Hệ số lưu lượng

-

kH

Hệ số suy giảm cột áp của máy bơm bùn

-

k1, k2

Hệ số chèn dòng tại lối vào và lối ra của bánh công tác

-

p1 , p2

Áp suất tại lối vào và lối ra của bánh công tác

Z, Zch

Số cánh bánh công tác, Cánh hướng

m

ZB

Số cánh của bánh công tác

-

δC

Chiều dày lá cánh bánh công tác

m

D

Đường kính bánh công tác

m

Dh

Đường kính ống hút

m

db

Đường kính bầu

m

KG/m3

Atm

Tỷ số bầu
β1 , β 2

Góc đặt cánh tại lối vào và lối ra của cánh

Độ

T

Bước cánh

m

ω

Vận tốc góc của bánh công tác

n

Số vòng quay của máy bơm

nS

Số vòng quay đặc trưng

∆w tb

Vận tốc trung bình của khối chất lỏng dọc theo mép ra
của bánh công tác

Rad/s
Vòng/phút

m/s

4 
 


C2m0
C1m, C2m
C1u, C2u
C1n, C2n

Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối ra
của bánh công tác không tính đến sự chèn dòng
Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối
vào và lối ra của cánh
Thành phần vận tốc tuyệt đối của dòng chảy tại lối vào
và lối ra của cánh
Thành phần vận tốc tuyệt đối của pha nước tại lối vào
và ra của bánh công tác

m/s
m/s
m/s
m/s

u2

Thành phần vận tốc theo tại lối ra của bánh công tác

m/s

V

Vận tốc chuyển động tuyệt đối

m/s

Q, Qlt
H, Hlt
N, Nb,Ntl
α
Г,Г1
L

Lưu lượng, lưu lượng lí thuyết bơm
Cột áp, cột áp lí thuyết
Công suất, công suất bơm, công suất thủy lực

W

Góc va

Độ

Lưu số vận tốc, Lưu số vận tốc mỗi cánh

m2/s

Chiều dài dây cung
Độ mau cánh, cánh hướng

δ max

Chiều dày cánh

ν

hệ số nhớt động học

r
F

Lực khối đơn vị

E

Nhiệt dung riêng của chất lỏng

Keff

Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng

r
Jj

Thông lượng khuyếch tán

BCT
2D,3D

mmHg,
mH2O

L/T

Sh

l/ph, m3/s

M

M

Bao hàm nhiệt của phản ứng hoá học và các nguồn
nhiệt khác
Bánh công tác
Không gian 2 chiều, 3 chiều

5 
 

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số một số mẫu vi bơm hướng trục thương mại: ...........................16
Bảng 2. 1: Thông số phần dẫn dòng vi bơm .............................................................43
Bảng 2. 2: Thông số vi bơm trường hợp số cánh bánh công tác Z=3.......................48
Bảng 2. 3: Tính độ mau tối thiểu cho phép của lưới cánh bánh công tác ...............102
Bảng 2. 4: Tính cung mỏng của Profil BCT ...........................................................102
Bảng 2. 5: Tính cung tương đương của profincánh bánh công tác.........................103
Bảng 2. 6: Tính độ mau của lưới profin cánh hướng ..............................................104
Bảng 2. 7: Tính lưới cung mỏng của cánh hướng...................................................105
Bảng 2. 8: Tính cung tương đương của profincánh hướng.....................................106
Bảng 2. 9: Tọa độ tương đối profin VIGM 420 ......................................................106
Bảng 2. 10: Tính độ mau tối thiểu cho phép của lưới cánh BCT Z=3....................107
Bảng 2. 11: Tính cung mỏng của Profil BCT Z=3 ................................................107
Bảng 2. 12: Tính cung tương đương của profin cánh BCT Z=3.............................108
Bảng 2. 13: Tính độ mau của lưới profin cánh hướng, BCT Z=3 ..........................109
Bảng 2. 14: Tính lưới cung mỏng của cánh hướng, BCT Z=3 ...............................110
Bảng 2. 15: Tính cung tương đương của profincánh hướng, BCT Z=3 .................111
Bảng 3. 1: Thông số các trạng thái mô phỏng ..........................................................56
Bảng 3. 2: Các trường hợp khác................................................................................57
Bảng 3. 3: Kết quả trường hợp Z=6, đắp độ dày profin theo mẫu VIGM 420 .........60
Bảng 3. 4: Kết quả trường hợp Z=6 đắp độ dày profin đều......................................61
Bảng 3. 5: Kết quả trường hợp Z=3, đắp độ dày profin theo mẫu VIGM 420 .........62
Bảng 3. 6: Kết quả trường hợp Z=3, đắp độ dày đều................................................63
Bảng 3. 7: Kết quả trường hợp Z=3, đắp độ dày đều, khe hở BCT và vỏ bằng 0 ....64
Bảng 3. 8: Thông số bơm mô phỏng tại điểm thiết kế..............................................65
Bảng 3. 9: Lực hướng trục tác dụng lên bánh công tác ............................................69
Bảng 3. 10: Thông số làm việc của bơm ở các độ nhớt khác nhau...........................71

6 
 


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Vi bơm siêu nhỏ .......................................................................................10
Hình 1. 2: Phân loại vi bơm ......................................................................................11
Hình 1. 3: Vi bơm dạng hướng trục ..........................................................................14
Hình 1. 4: Vi bơm hướng chéo..................................................................................14
Hình 1. 5: Vi bơm li tâm ...........................................................................................15
Hình 1. 6: Kết cấu vi bơm hướng trục dạng điện từ .................................................18
Hình 1. 7: Cấu tạo tim người.....................................................................................20
Hình2. 1: Sơ đồ lưới profin mỏng vô cùng và phân bố xoáy trên đường nhân ........27
Hình2. 2: Biểu đồ quan hệ ∆α = f (T0 , β0 ) .................................................................28
Hình 2. 3: Biểu đồ quan hệ L* =f(T0, β∞) .................................................................31
Hình 2. 4: Đồ thị để...................................................................................................32
Hinh 2. 5: Biểu đồ quan hệ KHtu = f(ns).................................................................34
Hình 2. 6 : Biểu đồ quan hệ d b = f ( K Htu ) .................................................................35
Hình 2. 7 :Tam giác vận tốc tại các tiết diện.............................................................37
Hình 2. 8 : Xây dựng profin cánh trên mặt phẳng ....................................................44
Hình 2. 9: Biên dạng profin trên các tiết diện trụ .....................................................45
Hình 2. 10: Bánh công tác 3D xây dựng...................................................................45
Hình 2. 11: Bảng thiết kế bánh công tác, cánh hướng bơm hướng trục ứng dụng
Solidworks.................................................................................................................46
Hình 2. 12: Cánh hướng 3D xây dựng ......................................................................46
Hình 2. 13: Vi bơm hướng trục với Z=6, đắp độ dày đều.........................................47
Hình 2. 14: Trường hợp số cánh Z=3, đắp độ dày theo mẫu và đắp độ dày đều ......48
Hình 3. 1: Sơ đồ tính toán trong ANSYS FLUENT .................................................51
Hình 3. 2: Các dạng lưới trong MESHING ..............................................................52
Hình 3. 3: Mô hình khối chất lỏng trường hợp Z=6, đắp profin mẫu VIGM 420 ....54

Hình 3. 4: Mô hình sau chia lưới ..............................................................................55
Hình 3. 5: Biểu đồ lưu lượng lối ra bơm trong quá trình mô phỏng.........................58
Hình 3. 6: Biểu đồ giá trị lưu lượng trung bình ........................................................58
Hình 3. 7: Đặc tính bơm trường hợp Z=6, profin đắp theo mẫu VIGM 420 ............60
Hình 3. 8: Đặc tính bơm trường hợp Z=6, profin đắp độ dày đều............................62
Hình 3. 9: Đặc tính bơm trường hợp Z=3, profin đắp theo mẫu VIGM 420 ............63
Hình 3. 10: Đặc tính bơm trường hợp IV..................................................................64
Hình 3. 11: Đặc tính bơm trường hợp Z=3, profin đắp độ dày đều khe hở 0 ...........65

7 
 


Hình 3. 12: Dòng chảy ngược qua khe cánh BCT và vỏ bơm ..................................67
Hình 3. 13: Dòng chảy trong bơm Z=3, khe hở lí tưởng bằng 0 ..............................67
Hình 3. 14: Dòng chảy trong bơm trường hợp I, III .................................................68
Hình 3. 15: Phân bố áp suất tĩnh bụng cánh và lưng cánh........................................68
Hình 3. 16: Biểu đồ quan hệ PZ - Qb .........................................................................70
Hình 3. 17: Biểu đồ ảnh hưởng độ nhớt tới thông số bơm .......................................71
Hình 3. 18: Dòng chảy rối trong lưới cánh hướng....................................................72
Hình 3. 19: Phân bố trường áp suất tĩnh khi thay đổi độ nhớt chất lỏng làm việc ...72
Hình 4. 1: Các trường hợp hiệu chỉnh.......................................................................75
Hình 4. 2: Phân bố lưới tính toán 3D của mô hình vi bơm.......................................76
Hình 4. 3: Các vùng xoáy không gian trong lưới cánh bánh công tác......................78
Hình 4. 4: Các vùng xoáy không gian trong lưới cánh hướng..................................78
Hình 4. 5: Sự tương tác dòng chảy lên bánh công tác ..............................................80
Hình 4. 6: Ảnh hưởng của số cánh đến góc cản dòng ngược ...................................80
Hình 4. 7: Phân bố áp suất trên bơm .........................................................................81
Hình 4. 8: Phân bố vận tốc trên mặt cắt dọc trục .....................................................83
Hình 4. 9: So sánh tiết diện lưu thông trên mặt cắt dọc trục....................................83

Hình 4. 10: Hệ số tiết diện lưu thông A% phụ thuộc vào số cánh Z ........................83
Hình 4. 11: Quan hệ số cánh Z và thông số H, Q của các mẫu bơm ........................85
Hình 4. 12: Quan hệ số cánh Z và lực dọc trục.........................................................86
Hình 4. 13: Các trường hợp dòng chảy qua khe hở thuỷ lực của bánh công tác ......87
Hình 4. 14: Dòng chảy ngược khe hở thuỷ lực tạo xoáy mép biên BCT (δ =3,5%)88
Hình 4. 15: Quan sát xoáy mép vào cánh và mép biên bằng quỹ đạo đường dòng khi
có khe hở và không có khe hở thuỷ lực ....................................................................88
Hình 4. 16: Vận tốc dòng ngược phát động xoáy tại mép vào cánh và mép biên khi
có khe hở và không có khe hở thuỷ lực ....................................................................90
Hình 4. 17: Ảnh hưởng của khe hở thuỷ lực tới thông số làm việc của bơm ..........90
Hình 4. 18:Sơ đồ hệ thống thí nghiệm ......................................................................92
Hình 4. 19: Đặc tính H – Q của mẫu bơm hướng trục..............................................96
Hình 4. 20: So sánh kết quả thực nghiệm 2 mô hình ở mức n = 6000 v/ph ............97
Hình 4. 21: Đặc tính H – Q của mẫu bơm Z=2, dải tốc độ n < 6000.......................97

8 
 


MỞ ĐẦU

Bơm siêu nhỏ ( Vi bơm ) với kích thước millimet và độ chính xác cỡ µm đã và
đang được ứng dụng và phát triển nhiều trên thế giới. Phạm vi sử dụng rộng rãi từ
việc làm mát chíp điện tử, điều chỉnh vi luợng các hệ thống điều chế thuốc, hoá chất
trong lĩnh vực y sinh… Trong y tế vi bơm được sử dụng để truyền dẫn máu, hay
được cấy ghép vào cơ thể như một tim nhân tạo hoặc hỗ trợ tuần hoàn máu… Hiện
các dạng bơm này nước ta đều phải nhập nước ngoài, nên giá thành cao, không tự
chủ về công nghệ. Trong khi nhu cầu thực tế là rất lớn.
Luận văn đi vào hướng nghiên cứu mới trong nước ta về phát triển ứng dụng vi
bơm trong các lĩnh vực kỹ thuật cần truyền dẫn vi lượng như trong y tế, công

nghiệp dược phẩm, hoá chất.
Là đề tài luận văn thạc sĩ đầu tiên về vấn đề thiết kế vi bơm cánh dẫn, luận văn
này tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng những thông số trong tính toán thiết kế vi
bơm hướng trục như: số cánh bánh công tác Z; chiều dày cánh; khe hở thuỷ lực. Từ
đó làm cơ sở lựa chọn tối ưu hóa trong thiết kế vi bơm hướng trục trên cơ sở
phương pháp thiết kế truyền thống bơm hướng trục kích cỡ lớn.

9 
 


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1

Tổng quan về vi bơm

Mặc dù bất kỳ loại máy bơm cỡ nhỏ nào đều được gọi là micropump - vi bơm,
tuy nhiên một định nghĩa chính xác hơn cho vi bơm là các bơm với các kích thước
chức năng trong phạm vi micromet. Vi bơm đầu tiên được đưa ra năm 1975, tuy
nhiên vi bơm hoàn chỉnh đầu tiên lại do Jan Smits and Harald Van Lintel công bố
năm 1980. Mở đầu cho thời đại của vi bơm . Ngày nay đã hình thành một nền công
nghiệp lớn trong lĩnh vưc này với các tên tuổi lớn như Air Dimensions, IDEX
Health & Science, Nikkiso, Xavitech… Các vấn đề như thu nhỏ kích thước tổng thể
của thiết bị, chi phí và độ chính xác định lượng ngày càng được nâng cao. Dưới đây
là hình ảnh của một mẫu vi bơm nhỏ nhất hiện nay.

Hình 1. 1: Vi bơm siêu nhỏ
10 
 

Vi bơm bao gồm hai dạng cơ bản là vi bơm dạng cơ khí và vi bơm dạng phi cơ
khí. Dạng cơ khí sẽ có thiết bị dẫn động như roto, piston,cánh, màng… Nó có thể
được dẫn động bằng các nguyên tắc điện dung, điện, nhiệt, từ, khí nén… Những
dạng phi cơ khí, bơm sẽ hoạt động dựa trên các nguyên lí điện – thủy động, điện –
thẩm thấu, điện hóa hay dòng siêu âm. Dạng bơm này chưa được ứng dụng rộng rãi.
Đi vào dạng bơm cơ khí nó đã và đang được ứng dụng rộng rãi. Các bơm được chia
làm 02 loại chính: bơm thể tích và bơm cánh dẫn.

Hình 1. 2: Phân loại vi bơm

11 
 


Năng lượng chuyển hóa trong bơm thể tích được đặc trưng bởi sự chiếm chỗ chất
lỏng theo chu kì hoạt động của bộ phận công tác. Trong bơm cánh dẫn, năng lượng
đẩy chất lỏng được tạo ra nhờ tương tác giữa cánh bánh công tác và chất lỏng. Nói
chung, ưu điểm của bơm cánh dẫn là cho lưu lượng dòng chảy lớn và áp lực nhỏ,
còn bơm thể tích phù hợp với việc tạo ra áp lực lớn trong khi lưu lượng dòng nhỏ.
Mỗi dạng vi bơm lại có những đặc điểm riêng có thể áp dụng phù hợp trong các
lĩnh vực khác nhau.
Phạm vi ứng dụng của vi bơm ngày càng mở rộng, như làm mát cho các hệ thống
chip điện tử, điều chỉnh vi lượng trong các hệ thống điều chế thuốc, hóa chất, và đặc
biệt trong lĩnh vực y học. Các máy vi bơm đã bắt đầu xuất hiện ở các bệnh viện hiện
đại nhất của Viêt Nam trong 1 vài năm gần đây, là thiết bị chuyên dụng và cũng là
quả tim trong các hệ thống điều trị bệnh nhân chạy thận nhân tạo, tiếp truyền máu,
trợ tim…
*Ưu nhược điểm của vi bơm ứng dụng trong y sinh

Trong lĩnh vực y sinh, bơm thể tích có ưu điểm tốt, thường được sử dụng khoảng
vài giờ. Ưu điểm chính của nó là hoạt động đơn giản, chi phí thấp , độ tin cậy cao
nhưng nhược điểm là gây sự phá vỡ các tế bào thành phần máu. Bơm máu bằng
bơm cánh dẫn có một số lợi thế lí thuyết và thực nghiệm hao phí trong máu thấp
hơn, kích thước nhỏ hơn, giảm được sự phá vỡ tế bào, giảm mất máu, giảm những
biến chứng thần kinh và thời gian chăm sóc đặc biệt ngắn hơn so với các loại khác,
thời gian sử dụng có thể lên đến vài ngày nếu cần thiết. Vì thế, sử dụng tim phổi
nhân tạo bằng máy bơm cánh dẫn ngày càng mở rộng thị trường, đặc biệt là ở Hoa
Kỳ.
Một tim nhân tạo được định nghĩa là một máy bơm máu thay thế giải phẫu và
chức năng của một quả tim tự nhiên.Tim nhân tạo thay thế được cho trái tim tự
nhiên mà không có biến chứng trong nhiều tháng hoặc năm cuối thì chưa tồn tại.
Cho đến nay tim nhân tạo đã được cấy ghép cho bệnh nhân có thể hoạt động tốt vài

12 
 


tháng trong khi chờ tim thật để cấy ghép , có những trường hợp có thể hoạt động tốt
hơn một năm.
Trong suốt vài thập kỉ vừa qua, máy trợ tim được sử dụng là thiết bị trị liệu trong
quá trình chữa chứng bệnh suy tim. Nhiệm vụ chính của chúng là duy trì máu lưu
thông và vì thế cung cấp oxy đủ cho các cơ quan và tế bào hoạt động bình thường
khi mà quả tim tự nhiên không cung cấp đủ cho cơ thể sử dụng.
Các máy trợ tim (thiết bị hỗ trợ lưu thông) hiện đại là kết quả của sự vận dụng
các nguyên tắc bơm khác nhau từ động mạch chủ (IABP) tim nhân tạo (TAH), theo
các chỉ dẫn lâm sàng rõ ràng. Thời gian sử dụng có thể khác nhau từ vài giờ,vài
ngày,vài tuần,hoặc là mãi mãi.Vì vậy, sự chỉ định thời gian sử dụng và sự lựa chọn
máy thích hợp cũng quan trọng như sự thiết kế chính nó.Vấn đề khác được xem xét
là chất lượng cuộc sống, sự ổn định tin cậy và lợi nhuận.

Nếu như vi bơm dạng thể tích tạo ra lưu lượng nhỏ và áp suất lớn thì vi bơm
dạng cánh quay tạo ra lưu lượng lớn và áp suất nhỏ, cũng chính vì đặc điểm này mà
khi sử dụng vi bơm loại thể tích vào trong lĩnh vực y sinh cụ thể là trong lĩnh vực
bơm máu thì nó gây ra sự tổn thương về máu gây ra sự vỡ của các tế bào máu. Vi
bơm loại cánh dẫn ít gây tổn thương cho máu, kích thước nhỏ kết cấu đơn giản,làm
kín dễ dàng, thể tích điền đầy ít, sự thay đổi dễ dàng hiếm khi gây ra sự phá vỡ tế
bào bên cạnh đó nó có độ chống đông máu thấp. Chính vì những ưu điểm này mà
ngày nay có nhiều nghiên cứu sử dụng vi bơm quay cho lĩnh vực y sinh.
1.2

Vi bơm cánh dẫn

Theo hướng nghiên cứu của đề tài sẽ đi về lĩnh vực vi bơm cánh dẫn. Cũng như
các dạng bơm cánh dẫn thông thường ta vẫn sử dụng, theo hình dạng vi bơm cánh
dẫn cũng được chia thành 3 loại chính: bơm hướng trục, bơm ly tâm và bơm hướng
chéo.
Các bơm dạng này đã được thương mại hóa đưa vào sử dụng những năm gần
đây. Ta có thể thấy một số loại:

13 
 


Các mẫu vi bơm hướng trục như : HemôPump, Jarvik 2000, DeBakey,
HeartMate II, ….Ví dụ ở hình 1.3

HeartMate II

DEBARKEY VAD

Jarvik 2000

Hình 1. 3: Vi bơm dạng hướng trục
Các mẫu vi bơm hướng chéo như : VentrAssist, HeartQuest, DeltaStrem, HIA
Microdiagonal…Ví dụ ở hình 1.4

VentrAssist

DeltaStrem

HIA Microdiagonal

Hình 1. 4: Vi bơm hướng chéo
Các mẫu vi bơm li tâm như : Biopump, Capiox SP, Delphin, Isoflow, Gyro
Pump, Vienna Centrifugal, …. Ví dụ ở hình 1.5

14 
 


Biopump

Gyro Pump

Capiox SP

Hình 1. 5: Vi bơm li tâm
Nói chung, bơm cánh dẫn thích hợp nhất đối với mạch có lưu lượng chảy cao tối
đa là 20l/phút tại áp lực nhỏ hơn 500mmHg. Các thiết kể bơm ly tâm phù hợp nhất
khi cần áp lực cao và lưu lượng dòng thấp, trong khi máy bơm hướng trục phù hợp

với yêu cầu lưu lượng cao, áp lực thấp. Phân loại đơn giản về khả năng của các mẫu
thiết kế máy bơm là tiêu chuẩn hóa đối với kích thước bơm, bơm ly tâm có đường
kính tới 60mm còn bơm hướng trục có đường kính nhỏ tới 6mm. Thực tế, lợi thế
của máy bơm cánh dẫn là tổn hại trong máu thấp, kích thước và thể tích nhỏ hơn,
chất lượng vận chuyển tốt không bị phá vỡ tế bào máu, làm việc với hàm lượng chất
chống đông thấp hơn vì thế bệnh nhân ít bị xuất huyết hơn. Do có kích cỡ nhỏ, bơm
cánh dẫn cho phép cấy dưới da giống như có khả năng vận chuyển vào trong các
thiết bị phức tạp hơn.
Vi bơm ly tâm có thể cho áp lực cao đến 500mmHg sử dụng cho các máy trợ tim
hay phổi với một đường kính lớn hơn đáng kể. Bơm hướng trục phù hợp hơn
bơm ly tâm khi cần tạo ra lưu lượng lớn và áp lực thấp. Vì vậy, bơm ly tâm
thường được sử dụng trong lưu thông vận chuyển máu từ bên ngoài thân thể, trong
khi bơm hướng trục sẽ phù hợp hơn làm thiết bị hỗ trợ tim trực tiếp hay làm máy
truyền dịch.
Vi bơm hướng trục – Đặc điểm và kết cấu:
Vi bơm hướng trục làm việc trong dải ns cao , kích thước bơm nhỏ cỡ vài mm
đến 15-20mm, bơm làm việc với số vòng quay lớn có thể vài nghìn hay lên tới hàng

15 
 


trăm nghìn vòng / phút, công suất bơm cỡ vài W đến vài chục W, lưu lượng thông
thường của bơm khoảng 1,5-8 l/ph , áp suất có thể đạt được tới 100mmHg, hiệu suất
dạng bơm này thấp thường khoản 10 ÷ 40%. Đã có nhiều thiết kế vi bơm hướng
trục được đưa vào thực tiễn. Bảng 1.1 dưới đây liệt kê thông số một số mẫu vi bơm
hướng trục đã thương mại hóa trên thị trường và cũng rất hiệu quả.

Bảng 1.1: Thông số một số mẫu vi bơm hướng trục thương mại:
TÊN

KL/KT

Q
L/ph

n
vg/ph

N
W

HEMÔPUMP

6g/5cc

4,5

25000

70

JARVIK 2000

90g/25cc

6

10000160000

7-10

IVAP

170g

5

9000

8

DEBARKEY
VAD

95g/15cc

5

7500120000

6

HEARTMAT
E II

160g/62c
c

6

600013000

10

HÌNH ẢNH

16 
 


IMPELLA

5g/2cc

4,5

30000

12

VALVO
PUMP

138g/40c
c

5

9000

26

Như đã trình bày ở trên vi bơm hướng trục là một dạng vi bơm cánh dẫn
trong đó bộ phận bánh công tác có dạng cánh hướng trục. Tương tác giữa lưới cánh
với chất lỏng, đẩy chất lỏng chuyển động xoắn dọc theo trục bánh công tác. Chất
lỏng chuyển động trong rãnh bánh công tác theo chiều hướng trục, không có sự
chuyển động theo chiều hướng tâm nên loại trừ hoàn toàn khả năng làm việc của
lực ly tâm và độ gia áp lực có được chỉ nhờ sự biến đổi động năng. Vì vậy, nguyên
tắc tác động của bơm hướng trục là dựa vào việc sử dụng dòng chảy loe. Dòng chảy
loe chỉ ổn định khi tuân theo các điều kiện của nó, không tuân theo điều kiện ấy sẽ
dẫn đến hiện tượng tách lớp biên khỏi dòng chảy bao và dòng chảy hoàn toàn bị
biến dạng. Do đó trong thiết kế bánh công tác của bơm hướng trục yêu cầu cao hơn,
và cũng cần chú ý tới ảnh hưởng của độ nhớt trong bơm.
Vi bơm hướng trục kích thước nhỏ, yêu cầu làm kín cao thường sử dụng kết cấu
dạng bơm điện từ hay bơm liên trục. Với dạng bơm liền trục thì phải làm kín bằng
các phương pháp đặc biệt như làm kín bằng các vật liệu tổng hợp, bằng vật liệu kim
loại yêu cầu gia công siêu chính xác các bề mặt. Hiện nay kết cấu bơm điện từ được
ứng dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm của mình. Bơm điện từ có kết cấu cơ bản:

17 
 


Hình 1. 6: Kết cấu vi bơm hướng trục dạng điện từ
1. Ống vào

2. Gối đỡ lối vào

3. Cuộn dây từ đỡ 4. Cuộn dây stato

5. Roto- BCT

6. Gối đỡ lối ra

7. Ống ra

8. Cáp 9. Vỏ bơm

Bánh công tác đồng thời là roto làm bằng vật liệu có từ tính được đỡ 2 đầu bởi
gối đỡ 2 có cánh lối vào và gối đỡ lối ra 6 có cánh hướng dòng ra. Dòng điện cấp
cho cuộn dây 3 tạo ra từ trường giữ cho roto tự do trên 2 đệm từ trường. Ngoài ra
trên bơm có gắn các cảm biến kiểm tra khe hở hướng kính, khe hở hướng trục để
đảm bảo điều khiển 2 cuộn dây từ 3 cho roto ở vị trí phù hợp .Tiếp theo dòng điện
được cấp cho cuộn dây dẫn động Stator. Sinh ra từ trường cảm ứng làm quay roto.
Bánh công tác được gắn trực tiếp lên roto nên quay theo vận chuyển chất lỏng qua
bơm. Bằng việc thay đổi dòng điện qua cuộn cảm có thể thay đổi tốc độ quay của
bơm.
Ưu điểm của bơm từ kiểu kín:
Không cần làm kín phần roto và phần chứa nó. Đệm từ của bánh công tác:

-

-

Giảm chi phí bảo dưỡng do không mòn giảm thời gian chết.

-

Không yêu cầu bôi trơn, sử dụng ngay môi chất để bôi trơn

-

Ít phát sinh nhiệt trong quá trình hoạt động.

-

Làm sạch, khử trùng dễ dàng.

Dải làm việc rộng, sự rung động và kích thước nhỏ.

18 
 


Điều khiển bằng dòng điện nên độ chính xác cao, lấy tín hiệu vào là áp suất điều
khiển tốc độ qua đó điều khiển lưu lượng.
*Nhược điểm:
Đòi hỏi trình độ cao về chế tạo và độ chính xác cao.
Độ chính xác của chi tiết quyết định sự hoạt động của bơm, nếu bị kẹt có thể sẽ
không hoạt động.
Vật liệu làm chi tiết phải đảm bảo không gây ảnh hưởng đến chất lượng của
máu, có giá thành cao.
1.3

Vài nét về các nghiên cứu vi bơm trong và ngoài nước

Luận văn dựa theo nghiên cứu trong đề tài cấp bộ B2008-01-199 “Nghiên cứu
công nghệ, thiết kế, chế tạo vi bơm kiểu hướng trục ứng dụng trong kỹ thuật y
sinh”. Đây là đề tài đầu tiên trong nước nghiên cứu về lĩnh vực này. Ở các nước

tiên tiến như Nhật Bản, Mỹ, EU đều quan tâm đưa ra các mẫu sản phẩm tối ưu, hạ
thấp giá thành để có thể đáp ứng nhu cầu phục vụ hàng triệu bệnh nhân về tim
mạch, bệnh nhân cần cấp cứu cũng như các bệnh liên quan đến hệ tuần hoàn máu.
Do vi bơm ở kích thước rất nhỏ, đặc tính và phương pháp thiết kế cũng như công
nghệ chế tạo đều là những vấn đề đang rất được quan tâm và cần giải quyết trong
tương lai gần. Chất lượng thiết kế, hiệu suất và cũng như đặc đỉểm thủy lực dòng
chảy như xoáy, xâm thực đều tác động làm giảm tuổi thọ của thiết bị vi bơm cũng
như hiệu suất máy. Các vấn đề này đang được nhiều nhà khoa học quan tâm.
1.4

Hoạt động của tim người
Cấu trúc chức năng của tim
Tim người là một bộ phận quan trọng trong cơ thể người nó nằm ở giữa của

nồng ngực, nó thường bị trễ xuống mặt bên trái vì bên trái tức là tâm thất trái hoạt
động mạnh hơn. Và do đó phổi trái thường nhỏ hơn phổi bên phải vì phần bên phải
trái tim người lớn hơn bên trái. Tim người được bao quanh bởi một túi màng và bao
quanh nó là phổi, màng tim gồm hai phần màng có thớ, một cái màng lớn tách
chúng ra gọi là van tim.

19 
 


Đối với người bình thường khối lượng của tim là 250 – 350 gam nhưng đối
với bệnh nhân bị phồng tim thì khối lượng của nó khoảng 1000g, gồm bốn ngăn với
hai ngăn trên là tâm nhĩ và hai ngăn dưới là tâm thất. Tim trái chứa máu động mạch,
tim phải chứa máu tĩnh mạch. Mỗi nửa tim lại chia làm hai buồng là tâm nhĩ và tâm
thất.
Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất, gọi là van hai lá ở nửa tim trái và

van ba lá ở nửa tim phải. Với tim người thì các van đều nằm trên một đường thẳng
và theo thứ tự từ phải qua trái chúng được gọi là van ba lá, và van hai lá.
Giữa tâm thất và động mạch chủ, động mạch phổi có van tổ chim (tức van
bán nguyệt). Các van đảm bảo cho máu đi theo một chiều từ tâm nhĩ đến tâm thất và
từ tâm thất sang động mạch, có như vậy mới đảm bảo chức năng tuần hoàn máu.

Hình 1. 7: Cấu tạo tim người
Một số đặc điểm hoạt động của tim
Chu trình hoạt động của máu trong tim, dưới sức hút của tâm thất phải máu
được hút lên tâm thất phải và nhờ sự co bóp của tâm thất phải và van ba lá máu
được đưa tới tâm nhĩ trái qua phổi và đến tâm nhĩ và đến tâm nhĩ trái và cuối cùng
là tâm thất trái và đi nuôi cơ thể. Trong quá trình hoạt động tim co bóp liên tục theo
chu kì mỗi lần như thế gọi là một nhịp tim. Nhịp tim thường là 72 nhịp trên phút vì
vậy mỗi chu kì của tim mất 0,8s nó chia cho quá trình hút và đẩy như sau:
20 
 


Hút tâm nhĩ 0.1s
Đẩy tâm nhĩ 0.7s
Hút tâm thất 0.3s
Đẩy tâm thất 0.5s
Hoàn thành quá trình hút 0.4s
Hoàn thành quá trình đẩy 0.4s
Khi mà nhịp tim tăng giai đoạn hoàn thành của quá trình đẩy gắn lại, trường
hợp này xảy ra trong khi con người hoạt động mạnh, dùng chất kích thích thuốc
hoặc cafee. Nhịp tim giảm trong quá trình ngủ, nghỉ ngơi.
Một chu kỳ vận chuyển máu của tim chừng 0.8s với nhịp đập 75 lần/phút.
Lưu lượng của tim.
Lưu lượng tim còn gọi là thể tích phút là lượng máu tim bơm vào động mạch

trong 1 phút. Lưu lượng tim bình thường lúc nghỉ khoảng 4 – 6l/phút, trường hợp
gắng sức có thể đến 25l/phút.
Lưu lượng của tim là thể tích của dòng máu từ tim đi trên đơn vị thời gian
nó phụ thuộc và các thông số sau: (a) Thể tích cửa ra và (b) Nhịp tim.
Lưu lượng Q = thể tích một nhịp × nhịp tim
Lúc nghỉ ngơi 6,6 l/ph = 110cm3 /nhịp × 60 nhịp/ph
Sau khi lao động 40 l/ph = 2000 cm3/nhịp × 200 nhịp/ph
Hoặc theo công thức tính qua hàm lượng oxi:

Lưu lượng tâm thất trái =

Q=

=

=5 (l/phút)

Vi vậy thể tích hay nhịp tim có thể tăng lưu lượng ra của vi bơm trong thiết
bị hỗ trợ tim.

21 
 


Áp suất vào tại tĩnh mạch phải: 80 mm Hg
Áp suất ra tại cung động mạch chủ: 120 mm Hg
1.5

Vấn đề nghiên cứu

Luận văn đi vào giải quyết các vấn đề chính bao gồm:
-

Tính toán thiết kế thủy lực vi bơm hướng trục dựa trên cơ sở phương pháp

thiết kế Vôzơnhexenski-Pêkin, và có những hiểu chỉnh tối ưu cho thiết kế với vi
bơm.
-

Xây dựng mô hình tính toán số và mô phỏng số dòng chảy trong vi bơm,

đánh giá các thiết kế.
-

Nghiên cứu ảnh hưởng số cánh Z trong vi bơm

-

Nghiên cứu ảnh hưởng khe hở thủy lực trong vi bơm

-

Khảo sát thực nghiệm đặc tính làm việc của vi bơm

-

Kết

luận,

đánh

giá

và

đề

xuất

hướng

nghiên

cứu

22 
 


CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC
2.1

Cơ sở lý thuyết thiết kế

Chuyển động của chất lỏng và tác dụng tương hỗ của nó với các bộ phận của
bơm là đối tượng của lí thuyết bơm cánh dẫn. Ta cần biết những định luật xác định
các hiện tượng đó, cho phép đưa ra được các phương pháp tính toán thủy lực và độ
bền của bơm. Nghiên cứu chuyển động của chất lỏng trong bơm cần xuất phát từ cơ

sở cơ học chất lỏng và các nghiên cứu thí nghiệm , thực nghiệm sản xuất. Mỗi lí
thuyết chỉ tương ứng với một sơ đồ đơn giản hóa nào đó của đối tượng thực tế . Sự
đúng đắn của lí thuyết sẽ được kiểm tra bằng cách so sánh các kết luận rút ra một
các logic từ lí thuyết với các số liệu do thực nghiệm có được.Vì vậy lí thuyết không
thể phát triển mà không có thực nghiệm, đồng thời việc tổng hợp các số liệu thực
nghiệm không thể không có lí thuyết. Trong thực tế tính toán thiết kế các loại máy
cánh dẫn, thường tồn tại nhiều phương pháp khác nhau để tính toán thiết kế các bộ
phận của máy có cùng chức năng, nhưng cấu tạo lại khác nhau. Các phương pháp
tính toán đều là tính toán gần đúng, mỗi phương pháp chỉ đúng cho một nhóm nào
đó của hệ thống cánh có hình dáng hình học xác định. Để sử dụng tốt lí thuyết và
các phương pháp tính toán khác nhau cần phải biết các giới hạn có trong cơ sở của
lí thuyết. Cơ sở lí thuyết của bơm cánh gồm có những quy luật trực tiếp rút từ
những luận đề cơ sở của cơ học chất lỏng. Như nhờ phương trình mômen động
lượng mà xác định công do bánh xe công tác truyền cho chất lỏng, đó là đối tượng
của phương trình cơ bản của máy cánh dẫn; cũng như nghiên cứu dòng chất lỏng lí
tưởng ở trong phần dẫn dòng của bơm dựa trên cơ sở tổng hợp phương trình
Becnuli trong chuyển động tuyệt đối và tương đối …
2.1.1 Các phương pháp thiết kế bơm hướng trục
Để tính toán bánh công tác và hướng dòng bơm hướng trục người ta có thể sử
23