Strength Analysis of a Ducted Axial Fan Blade

This paper presents a numerical strength analysis of a ducted axial fan blade. Ducted axial fans are a large group of fluid-flow machines. The analysis was designed to determine the causes of cyclic failures of a ventilation unit. The paper presents a reverse engineering approach to the mapping of the fan blade’s geometrical features. The geometrical features were mapped by triangulation from the scanning images produced by a 3D optical scanner. These were followed by simplifying assumptions on which the numerical calculations were based. The numerical calculations were carried out at the operating rotational speeds of the ducted axial fan’s rotor. The course of the numerical calculations is described, and their results are also presented herein. The results are represented on colour maps of stress distribution for selected structural elements of the fan blade. The stress distribution at a blade cross-section was compared to CT scans of the fractures of failed rotor blade airfoils. Final conclusions were developed which show that the design engineering process of fans should feature optimisation of the fan’s efficiency, including the strength and performance parameters, which should include the service life of the fan.

W pracy przedstawiono numeryczną analizę wytrzymałościową łopaty osiowego wentylatora kanałowego. Wentylatory tego typu stanowią liczną grupę maszyn przepływowych. Wykonana analiza miała na celu określenie przyczyn powtarzających się cyklicznie awarii zespołu wentylacyjnego. Zaprezentowano sposób odwzorowania geometrii łopaty wentylatora poprzez zastosowanie metody inżynierii odwrotnej. Przy odwzorowywaniu geometrii wykorzystano skany otrzymane za pomocą skanera optycznego na zasadzie triangulacji. Następnie przedstawiono założenia upraszczające, na których oparte zostały obliczenia numeryczne. Obliczenia te przeprowadzono dla eksploatacyjnych prędkości obrotowych wirnika wentylatora. Z kolei opisano przebieg samych obliczeń numerycznych, a także przedstawiono uzyskane wyniki. Wyniki te zaprezentowano w postaci kolorowych map rozkładu naprężeń dla wybranych elementów konstrukcji łopaty. Rozkład naprężeń w przekroju poprzecznym łopaty porównano z tomograficznymi fotografiami przełomów zniszczonych piór łopat wirnika. Opracowano wnioski końcowe, z których wynika, że w procesie konstruowania wentylatorów powinna być wykonana optymalizacja nie tylko w obszarze jego sprawności, ale również w obszarze parametrów wytrzymałościowych i użytkowych, w tym między innymi trwałości eksploatacyjnej urządzenia.