CH712770B1

CH712770B1 - Radial turbine rotor and method of making same.

Info

Publication number: CH712770B1
Application number: CH00871/17A
Authority: CH
Inventors: Wurm Claudius
Original assignee: Man Energy Solutions Se
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2021-12-30
Also published as: JP6843711B2; CN107642382A; KR20180010151A; DE102016213238A1; JP2018013127A; CH712770A2

Abstract

Radialturbinenrotor (10), mit einem Rotorgrundkörper (11); und mit integral am Rotorgrundkörper (11) ausgebildeten Laufschaufeln (12); wobei der Rotorgrundkörper (11) eine Hohlraumstruktur (13) aufweist.Radial turbine rotor (10), with a rotor base body (11); and with rotor blades (12) formed integrally on the basic rotor body (11); wherein the basic rotor body (11) has a cavity structure (13).

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Radialturbinenrotor und ein Verfahren zum Herstellen desselben. The invention relates to a radial turbine rotor and a method for manufacturing the same.

[0002] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinenrotor 1. Der Radialturbinenrotor 1 verfügt über einen Rotorgrundkörper 2 sowie über mehrere integral am Rotorgrundkörper 2 ausgebildete Laufschaufeln 3. Die Laufschaufeln 3 verfügen über als Saugseiten und Druckseiten ausgebildete Flächen, die der Strömungsführung dienen. Bei aus der Praxis bekannten Radialturbinenrotoren ist der Rotorgrundkörper 2 des Radialturbinenrotors 1 als massives Bauteil ausgeführt. Ein solcher Rotorgrundkörper 2 mit den integral an demselben ausgebildeten Laufschaufeln 3 wird vorzugsweise durch Gießen, insbesondere über ein Feingussverfahren, hergestellt. Fig. 1 shows a cross section through a radial turbine rotor 1 known from the prior art. The radial turbine rotor 1 has a rotor base body 2 and several rotor blades 3 formed integrally on the rotor base body 2. The rotor blades 3 have surfaces formed as suction sides and pressure sides , which serve to guide the flow. In the case of radial turbine rotors known from practice, the basic rotor body 2 of the radial turbine rotor 1 is designed as a solid component. Such a basic rotor body 2 with the rotor blades 3 formed integrally on the same is preferably produced by casting, in particular by means of a precision casting process.

[0003] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Radialturbinenrotor und Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen. Proceeding from this, the present invention is based on the object of creating a novel radial turbine rotor and method for producing the same.

[0004] Diese Aufgabe wird durch einen Radialturbinenrotor nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist der Rotorgrundkörper eine Hohlraumstruktur auf. [0004] This object is achieved by a radial turbine rotor according to claim 1. According to the invention, the basic rotor body has a cavity structure.

[0005] Der Rotorgrundkörper des erfindungsgemäßen Radialturbinenrotors verfügt über eine Hohlraumstruktur. Über eine derartige Hohlraumstruktur kann das Gewicht des Radialturbinenrotors gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radialturbinenrotoren reduziert werden. The basic rotor body of the radial turbine rotor according to the invention has a cavity structure. Such a cavity structure allows the weight of the radial turbine rotor to be reduced compared to the radial turbine rotors known from the prior art.

[0006] Ein Radialturbinenrotor mit einem geringeren Gewicht kann deutlich schneller beschleunigt und verzögert werden. Hierdurch kann die Dynamik des Radialturbinenrotors bzw. einer den Radialturbinenrotor aufweisenden Turbine deutlich verbessert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Radialturbinenrotor Bestandteil eines Abgasturboladers ist. Ein Radialturbinenrotor mit geringerer Masse lässt ferner eine kostengünstigere Auslegung von Lagern des Radialturbinenrotors zu. Ferner bereitet ein sogenannter Containment-Schutz der Turbine, der bei einem Bersten des Radialturbinenrotors verhindern soll, dass Bruchstücke desselben in die Umgebung gelangen können, weniger Schwierigkeiten. Bei einem leichteren Radialturbinenrotor ist im Falle eines Berstens desselben die abzufangende Energie geringer, sodass der Containment-Schutz einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden kann. A radial turbine rotor with a lower weight can be accelerated and decelerated significantly faster. As a result, the dynamics of the radial turbine rotor or of a turbine having the radial turbine rotor can be significantly improved. This is particularly advantageous when the radial turbine rotor is part of an exhaust gas turbocharger. A radial turbine rotor with a lower mass also allows for a more cost-effective design of bearings in the radial turbine rotor. Furthermore, so-called containment protection of the turbine, which is intended to prevent fragments of the radial turbine rotor from escaping into the environment if the radial turbine rotor bursts, poses fewer problems. With a lighter radial turbine rotor, in the event of a rupture, the energy to be absorbed is less, so containment protection can be implemented more easily and cost-effectively.

[0007] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Hohlraumstruktur durch mindestens einen Steg versteift. Hierdurch kann trotz reduziertem Gewicht eine optimal angepasste Steifigkeit des Radialturbinenrotors bereitgestellt werden. According to an advantageous development of the invention, the cavity structure is reinforced by at least one web. As a result, an optimally adapted rigidity of the radial turbine rotor can be provided despite the reduced weight.

[0008] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind an einer Vorderseite und/oder an einer Rückseite des Rotorgrundkörpers außerhalb von strömungsführenden Oberflächen Öffnungen ausgebildet, über welche die Hohlraumstruktur von außen zugänglich ist. Diese Öffnungen gewährleisten einerseits eine einfache Herstellbarkeit des Radialturbinenrotors, ferner dienen dieselben der Einstellung einer definierten Rauigkeit an Innenflächen des Hohlraums. According to an advantageous development of the invention, openings are formed on a front side and/or on a rear side of the basic rotor body outside of flow-guiding surfaces, via which the cavity structure is accessible from the outside. On the one hand, these openings ensure that the radial turbine rotor can be manufactured easily, and they also serve to set a defined roughness on the inner surfaces of the cavity.

[0009] Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an Innenflächen der Hohlraumstruktur eine definierte mittlere Rauheit Ra eingestellt, die zwischen 2 µm und 10 µm beträgt. Diese mittlere Rauigkeit Ra an den Innenflächen der Hohlraumstruktur, die von der mittleren Rauigkeit Ra an den strömungsführenden Flächen der Laufschaufeln abweicht, ist zur Bereitstellung eines Radialturbinenrotors mit optimalen Rundlaufeigenschaften besonders bevorzugt. According to an advantageous development of the invention, a defined average roughness Ra of between 2 μm and 10 μm is set on the inner surfaces of the cavity structure. This average roughness Ra on the inner surfaces of the cavity structure, which deviates from the average roughness Ra on the flow-guiding surfaces of the rotor blades, is particularly preferred for providing a radial turbine rotor with optimal concentricity properties.

[0010] Das Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Radialturbinenrotors ist in Anspruch 6 definiert. The method for manufacturing the radial turbine rotor according to the invention is defined in claim 6.

[0011] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1: einen Querschnitt durch einen Radialturbinenrotor nach dem Stand der Technik; Fig. 2: einen Querschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor; Fig. 3: einen Querschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor; und Fig. 4: einen Querschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor.Preferred developments of the invention result from the dependent claims and the following description. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, without being restricted thereto. 1 shows a cross section through a radial turbine rotor according to the prior art; 2 shows a cross section through a first radial turbine rotor according to the invention; 3 shows a cross section through a second radial turbine rotor according to the invention; and FIG. 4: a cross section through a third radial turbine rotor according to the invention.

[0012] Die Erfindung betrifft einen Radialturbinenrotor, insbesondere einen Radialturbinenrotor für einen Turbolader. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Radialturbinenrotors. The invention relates to a radial turbine rotor, in particular a radial turbine rotor for a turbocharger. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a radial turbine rotor.

[0013] Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor 10. Der Radialturbinenrotor 10 verfügt über einen Rotorgrundkörper 11 sowie über mehrere am Rotorgrundkörper 11 integral ausgebildete Laufschaufeln 12. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist in den Rotorgrundkörper 11 des Radialturbinenrotors 10 eine Hohlraumstruktur 13 eingebracht. Diese Hohlraumstruktur 13 kann von einem einzigen Hohlraum oder auch von mehreren durch Stege oder Trennwände voneinander getrennte Hohlräume ausgebildet sein. Fig. 2 shows a cross section through a radial turbine rotor 10 according to the invention. The radial turbine rotor 10 has a rotor base body 11 and a plurality of rotor blades 12 integrally formed on the rotor base body 11. In terms of the present invention, the rotor base body 11 of the radial turbine rotor 10 has a cavity structure 13 introduced. This cavity structure 13 can be formed by a single cavity or by a plurality of cavities separated from one another by webs or partitions.

[0014] Einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Radialturbinenrotor 10 zeigt Fig. 3, wobei in Fig. 3 die Hohlraumstruktur 13 durch einen sich in Axialrichtung erstreckenden Steg 14 versteift ist. Dieser Steg 14 erstreckt sich in Fig. 3 in Axialrichtung zwischen einer Vorderseite 15 und einer Rückseite 16 des Rotorgrundkörpers 11 des erfindungsgemäßen Radialturbinenrotors 10. A cross section through another radial turbine rotor 10 according to the invention is shown in FIG. 3, wherein in FIG. 3 the cavity structure 13 is reinforced by a web 14 extending in the axial direction. In Fig. 3, this web 14 extends in the axial direction between a front side 15 and a rear side 16 of the basic rotor body 11 of the radial turbine rotor 10 according to the invention.

[0015] Zusätzlich oder alternativ zu dem sich in Axialrichtung erstreckenden Steg 14 können weitere Stege die Hohlraumstruktur 13 versteifen, die sich quer, insbesondere senkrecht, zum Steg 14 erstrecken können. In addition or as an alternative to the web 14 extending in the axial direction, further webs can stiffen the cavity structure 13 which can extend transversely, in particular perpendicularly, to the web 14 .

[0016] Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist ein Radialturbinenrotor 10 gezeigt, bei welchem im Bereich der Vorderseite 15 und im Bereich der Rückseite 16 des Rotorgrundkörpers 11 an nicht strömungsführenden Oberflächen, also außerhalb der strömungsführenden Oberflächen, Öffnungen 17, 18 ausgebildet sind, über welche die Hohlraumstruktur 13 von außen zugänglich ist. Derartige Öffnungen 17, 18 haben Vorteile im Zusammenhang mit der Fertigung bzw. Herstellung des erfindungsgemäßen Radialturbinenrotors 10. The exemplary embodiment in FIG. 4 shows a radial turbine rotor 10 in which openings 17, 18 are formed in the area of the front side 15 and in the area of the rear side 16 of the basic rotor body 11 on non-flow-guiding surfaces, i.e. outside the flow-guiding surfaces which the cavity structure 13 is accessible from the outside. Such openings 17, 18 have advantages in connection with the manufacture or production of the radial turbine rotor 10 according to the invention.

[0017] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an Innenflächen 19 der Hohlraumstruktur 13 eine definierte Rauigkeit eingestellt ist, wobei die mittlere Rauigkeit Ra zwischen 2 µm und 10 µm beträgt. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that a defined roughness is set on the inner surfaces 19 of the cavity structure 13, the mean roughness Ra being between 2 μm and 10 μm.

[0018] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Radialturbinenrotors 10. Der Rotorgrundkörper 11 wird zusammen mit den an dem Rotorgrundkörper 11 integral ausgebildeten Laufschaufeln 12 unter Ausbildung der Hohlraumstruktur 13 sowie in Fig. 4 unter Ausbildung der Öffnungen 17, 18 über ein generatives Fertigungsverfahren als monolithisches Bauteil hergestellt, wobei ein generatives Fertigungsverfahren auch als Additive Manufacturing Verfahren bezeichnet wird. The invention also relates to a method for producing such a radial turbine rotor 10. The rotor base body 11 is integrally formed on the rotor body 11 rotor blades 12 forming the cavity structure 13 and in Fig. 4 forming the openings 17, 18 via a generative manufacturing process produced as a monolithic component, wherein a generative manufacturing process is also referred to as an additive manufacturing process.

[0019] Beim generativen Fertigungsverfahren anfallender Restwerkstoff, so zum Beispiel ein Restgranulat eines Pulverbetts, welches sich beim generativen Fertigungsverfahren in der Hohlraumstruktur 13 sammelt, kann über die Öffnungen 17, 18 aus der Hohlraumstruktur 13 abgeführt werden. Die Öffnungen 17, 18 können auch als Inspektionsöffnungen verwendet werden um Materialeigenschaft zu untersuchen bzw. Qualitätskontrolle durchzuführen. Die Öffnungen 17, 18 können nach der Inspektion wieder verschlossen werden. Residual material occurring during the additive manufacturing process, such as residual granules of a powder bed, which collects in the cavity structure 13 during the additive manufacturing process, can be removed from the cavity structure 13 via the openings 17 , 18 . The openings 17, 18 can also be used as inspection openings to examine material properties or to carry out quality control. The openings 17, 18 can be closed again after the inspection.

[0020] Weiterhin eignen sich die Öffnungen 17, 18 dazu, nachfolgend an den Innenflächen 19 der Hohlraumstruktur 13 die definierte mittlere Rauigkeit Ra einzustellen. So kann die Rauigkeit über ein mechanisches Verfahren, so zum Beispiel über Gleitschleifen, eingestellt werden, wobei dann Schleifkörper über die Öffnungen 17, 18 in die Hohlraumstruktur 13 eingeführt sowie ausgeführt werden. Ferner kann die Rauigkeit über ein physikalisch-chemisches Verfahren eingestellt werden, bei welchem zur Einstellung der mittleren Rauigkeit an den Innenflächen 19 der Hohlraumstruktur 13 ein flüssiges Medium über die Öffnungen 17 in die Hohlraumstruktur 13 eingeführt und aus derselben ausgeführt wird. Furthermore, the openings 17, 18 are suitable for subsequently setting the defined mean roughness Ra on the inner surfaces 19 of the cavity structure 13. The roughness can thus be adjusted by a mechanical method, for example vibratory grinding, in which case grinding bodies are then introduced into the cavity structure 13 via the openings 17, 18 and removed. Furthermore, the roughness can be adjusted via a physical-chemical method, in which, to adjust the average roughness on the inner surfaces 19 of the cavity structure 13, a liquid medium is introduced into the cavity structure 13 via the openings 17 and removed from the same.

[0021] Die Erfindung schlägt demnach einen Radialturbinenrotor 10 vor, dessen Rotorgrundkörper 11 eine Hohlraumstruktur 13 aufweist. Dabei kann die Hohlraumstruktur 13 über mindestens einen Steg 14 versteift sein. Bohrungen 17, 18 an nicht strömungsführenden Oberflächen des Radialturbinenrotors 10, über welche die Hohlraumstruktur 13 von außen zugänglich ist, dienen dem Abführen von Restwerkstoff sowie dem Einstellen der definierten Rauigkeit an Innenflächen der Hohlraumstruktur 13. The invention accordingly proposes a radial turbine rotor 10 whose basic rotor body 11 has a cavity structure 13 . The cavity structure 13 can be reinforced via at least one web 14 . Bores 17, 18 on non-flow-guiding surfaces of the radial turbine rotor 10, through which the cavity structure 13 is accessible from the outside, are used to remove residual material and to set the defined roughness on the inner surfaces of the cavity structure 13.

Bezugszeichenlistereference list

[0022] 1 Radialturbinenrotor 2 Rotorgrundkörper 3 Laufschaufel 10 Radialturbinenrotor 11 Rotorgrundkörper 12 Laufschaufel 13 Hohlraumstruktur 14 Steg 15 Vorderseite 16 Rückseite 17 Öffnung 18 Öffnung 19 Innenfläche 1 radial turbine rotor 2 basic rotor body 3 blade 10 radial turbine rotor 11 basic rotor body 12 blade 13 cavity structure 14 web 15 front side 16 rear side 17 opening 18 opening 19 inner surface

Claims

1. Radial turbine rotor (10), with a rotor body (11); moving blades (12) formed integrally on the basic rotor body (11); characterized in that the basic rotor body (11) has a cavity structure (13).

A radial turbine rotor according to claim 1, characterized in that the cavity structure (13) is formed by a single cavity or by multiple cavities.

3. Radial turbine rotor according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity structure (13) is reinforced by at least one web (14).

4. Radial turbine rotor according to one of claims 1 to 3, characterized in that on a front (15) and / or on a rear (16) of the rotor body (11) outside of flow-guiding surfaces openings (17, 16) are formed, via which the Cavity structure (13) is accessible from the outside.

5. Radial turbine rotor according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a defined average roughness Ra of between 2 µm and 10 µm is set on the inner surfaces (19) of the cavity structure (13).

6. Method for producing a radial turbine rotor (10) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the same is produced as a monolithic component via an additive manufacturing process.

7. The method according to claim 6 for producing a radial turbine rotor (10) according to claim 4, characterized in that the residual material produced during the additive manufacturing process is removed from the cavity structure (13) via the openings (17, 18).

8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that following the generative manufacturing via the openings (17, 18) on the inner surfaces (19) of the cavity structure (13) a defined mean roughness Ra is adjusted, which is between 2 µm and 10 µm .

9. Method according to claim 8, characterized in that the roughness is adjusted by a mechanical method and/or a physical-chemical method.