DE69604849T2

DE69604849T2 - Turbine rotor

Info

Publication number: DE69604849T2
Application number: DE1996604849
Authority: DE
Inventors: Keiji Kawasaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2016-03-16
Also published as: EP0732481A1; JPH08254102A; EP0732481B1; DE69604849D1

Description

BACKGROUND OF THE INVENTION (1) Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenrotor, bei dem ein Keramikrotor an einer Metallwelle angreift. Turbinenrotoren werden beim Turbolader für einen Kraftfahrzeug-Motor verwendet.The present invention relates to a turbine rotor in which a ceramic rotor engages a metal shaft. Turbine rotors are used in the turbocharger for a motor vehicle engine.

(2) Description of the state of the art

Der Turbolader eines Kfz-Motors weist eine Turbine mit Schaufeln, einen Luftkompressor mit Schaufeln sowie eine diese verbindende Welle auf. Ein aus dem Motor abgegebenes Abgas dreht die Turbine, um den Luftkompressor anzutreiben, um eine dem Motor zugeführte Luftmenge zu erhöhen. Die erhöhte Luftmenge führt dazu, daß dem Motor eine erhöhte Treibstoffmenge zugeführt wird, was zu einer höheren Motorleistung führt.The turbocharger of an automobile engine comprises a turbine with blades, an air compressor with blades, and a shaft connecting them. Exhaust gas emitted from the engine rotates the turbine to drive the air compressor to increase an amount of air supplied to the engine. The increased amount of air results in an increased amount of fuel being supplied to the engine, resulting in increased engine power.

Die Turbine des Turboladers weist eine Vielzahl von Schaufeln auf, so daß ein Abgas vom Motor die Schaufeln weitertreibt, wodurch darin eine Drehkraft erzeugt wird. Die Schaufeln erstrecken sich in radiale Richtungen, während sie in Kreisrichtung leicht verdreht sind, wodurch reibungslose Abfuhr des Abgases ermöglicht wird.The turbine of the turbocharger has a plurality of blades so that exhaust gas from the engine drives the blades, thereby generating a rotating force therein. The blades extend in radial directions while being slightly twisted in a circular direction, allowing the exhaust gas to be discharged smoothly.

Der Turbinenrotor gemäß vorliegender Erfindung kann als Turbine und Welle des Turboladers dienen. Das andere Ende der Welle kann mit dem Rotor eines Luftkompressors verbunden sein.The turbine rotor according to the present invention can serve as the turbine and shaft of the turbocharger. The other end of the shaft can be connected to the rotor of an air compressor.

Der Rotor der Turbine ist einem Abgas mit hohen Temperaturen vom Motor ausgesetzt, und daher muß der Rotor hitzebeständig sein. Der Rotor muß ein geringes Gewicht aufweisen, damit er sich leicht drehen kann. Der Rotor muß ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, um eine Zentrifugalkraft bei hohen Temperaturen auszuhalten. Daher ist vorgeschlagen worden, für den Rotor Keramikmaterialien zu verwenden, die diesen Anforderungen entsprechen, wie Si&sub3;N&sub4;, SiC, Sialon und dergleichen.The rotor of the turbine is exposed to high temperature exhaust gas from the engine, and therefore the rotor must be heat resistant. The rotor must be light in weight so that it can rotate easily. The rotor must have sufficient mechanical strength to withstand centrifugal force at high temperatures. Therefore, it has been proposed to use ceramic materials for the rotor that meet these requirements, such as Si3N4, SiC, Sialon and the like.

Beim Keramikrotor besteht jedoch ein Problem beim Verbinden mit einer Metallwelle, insbesondere, wenn der Keramikrotor durch Eingriff mit der Metallwelle verbunden ist, beispielsweise durch Preßsitz. Beim Preßsitz unterliegt die Eingreifgrenze des Keramikrotors Eingreif-Kompressionskräften, und in der Eingreifgrenze kommt es zu Spannungskonzentration, so daß der verbundene Körper geringe Beständigkeit gegen Biege- und Verwindungsbewegungen aufweist. In der vorliegenden Beschreibung ist mit der Eingreifgrenze eine Grenze zwischen (a) dem Bereich, in dem sich eine radiale Außenfläche des Keramikrotors mit einer radialen Innenfläche der Metallwelle in Kontakt befindet und (b) dem Bereich gemeint, in dem sich eine radiale Außenfläche des Keramikrotors nicht mit der radialen Innenfläche der Metallwelle in Kontakt befindet.However, the ceramic rotor has a problem in connection with a metal shaft, particularly when the ceramic rotor is connected to the metal shaft by engagement, for example, by press fitting. In the press fitting, the engagement boundary of the ceramic rotor is subject to engagement compression forces, and stress concentration occurs in the engagement boundary, so that the joined body has poor resistance to bending and twisting movements. In the present specification, the engagement boundary means a boundary between (a) the region in which a radially outer surface of the ceramic rotor is in contact with a radially inner surface of the metal shaft and (b) the region in which a radially outer surface of the ceramic rotor is not in contact with the radially inner surface of the metal shaft.

Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 51895/1984 offenbart einen verbundenen Körper, der einen Keramikzylinder sowie einen Metallzylinder aufweist, der sich mit einer Außenfläche des Keramikzylinders in Eingriff befindet. Der Metallzylinder weist ein offenes Ende mit einer Seitenwand auf, die einen Hohlraum zum Aufnehmen des Keramikzylinders bildet, und die Seitenwand weist eine zum Ende hin abnehmende Dicke auf. Diese Publikation offenbart jedoch weder den Turbinenrotor noch die Position der Eingreifgrenze.Japanese Patent Publication No. 51895/1984 discloses a bonded body comprising a ceramic cylinder and a metal cylinder engaged with an outer surface of the ceramic cylinder. The metal cylinder has an open end with a side wall forming a cavity for receiving the ceramic cylinder, and the side wall has a thickness decreasing toward the end. However, this publication does not disclose the turbine rotor or the position of the engagement limit.

Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 35265/1991 offenbart einen verbundenen Körper, worin sich ein Keramikelement mit einem Metallelement in Eingriff befindet. Bei diesem Körper befindet sich eine Eingreifgrenze an einer Innenfläche der Seitenwand des Metallelements, die deren Rille entspricht, um die Spannungskonzentration zu mildern.Japanese Patent Publication No. 35265/1991 discloses a bonded body in which a ceramic member is engaged with a metal member. In this body, an engagement boundary is provided on an inner surface of the side wall of the metal member corresponding to its groove in order to alleviate stress concentration.

Dieser verbundene Körper kann ein Turbolader-Turbinenrotor sein, wie in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 weist ein Turbinenrotor 30 einen Keramikrotor 32 und eine Metallwelle 36 auf, die sich koaxial mit der Achse 34 des Keramikrotors 32 in Eingriff befindet. Die Metallwelle 36 weist ein offenes Ende mit einer Seitenwand 37 auf, die einen Hohlraum zum Aufnehmen der Achse 34 des Keramikrotors 32 bildet. In einer radialen Außenfläche der Seitenwand 37 sind eine Rille 38 zum Aufnehmen eines Dichtungsringes und eine Rille 39 zum Aufnehmen eines Ölschleuderrings ausgebildet.This connected body may be a turbocharger turbine rotor as shown in Fig. 4. In Fig. 4, a turbine rotor 30 comprises a ceramic rotor 32 and a metal shaft 36 coaxially engaged with the axis 34 of the ceramic rotor 32. The metal shaft 36 has an open end with a side wall 37 forming a cavity for receiving the axis 34 of the ceramic rotor 32. In a A groove 38 for receiving a sealing ring and a groove 39 for receiving an oil slinger ring are formed on the radial outer surface of the side wall 37.

In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 35265/1991 befindet sich eine Eingreifgrenze 35 an der radialen Innenfläche der Seitenwand 37, die entweder Rille 38 oder Rille 39 entspricht. In Fig. 4 befindet sich die Eingreifgrenze an der radialen Innenfläche der Seitenwand 37, die der Rille 38 entspricht. Mit Eingreifgrenze ist eine Grenze zwischen (a) dem Bereich, in dem die radiale Außenfläche der Achse 34 des Keramikrotors 32 und die radiale Innenfläche der Seitenwand 37 der Metallwelle 36 miteinander in Kontakt sind, und (b) dem Bereich gemeint, in dem sie nicht miteinander in Kontakt sind.In Japanese Patent Publication No. 35265/1991, an engagement boundary 35 is located on the radially inner surface of the side wall 37 corresponding to either groove 38 or groove 39. In Fig. 4, the engagement boundary is located on the radially inner surface of the side wall 37 corresponding to groove 38. The engagement boundary means a boundary between (a) the region where the radially outer surface of the axis 34 of the ceramic microtor 32 and the radially inner surface of the side wall 37 of the metal shaft 36 are in contact with each other and (b) the region where they are not in contact with each other.

Bei der obigen Struktur mußten die Rillen 38 und 39 jedoch durch mechanisches Bearbeiten nach dem In-Eingriff-Bringen oder Einsetzen der Achse 34 des Keramikrotors 32 in das offene Ende der Metallwelle 36 gebildet werden, weil die Positionen der Rillen 38 und 39 durch die Position der Eingreifgrenze 35 bestimmt sind. Darüber hinaus könnte die Achse 34 des Keramikrotors 32 aufgrund der Belastung, die während der mechanischen Bearbeitung zum Ausbilden der Rillen 38, 39 ausgeübt wird, brechen. Weiters besteht die Tendenz zur Spannungskonzentration an einem dicken Abschnitt in der Seitenwand 37, der nicht aus den Rillen 38 und 39 gebildet ist, und ein Abschnitt der Achse 34 des Keramikrotors 32, der dem dicken Abschnitt entspricht, kann Risse bekommen.However, in the above structure, the grooves 38 and 39 had to be formed by machining after engaging or inserting the axis 34 of the ceramic rotor 32 into the open end of the metal shaft 36 because the positions of the grooves 38 and 39 are determined by the position of the engagement limit 35. In addition, the axis 34 of the ceramic rotor 32 may be broken due to the load applied during the machining for forming the grooves 38, 39. Further, stress concentration tends to occur at a thick portion in the side wall 37 that is not formed of the grooves 38 and 39, and a portion of the axis 34 of the ceramic rotor 32 corresponding to the thick portion may be cracked.

Die DE-42 20 224C offenbart einen Turbinenrotor, der durch Schrumpfpassung mit einem Metallachszapfen verbunden ist. Der Rotor umfaßt eine Keramikwelle mit einem Durchmesser, der in Richtung zur Rotornabe hin geringer wird, und der Achszapfen wird verformt, um die Welle passend zu bedecken.DE-42 20 224C discloses a turbine rotor connected by shrink fit to a metal journal. The rotor comprises a ceramic shaft with a diameter that decreases towards the rotor hub and the journal is deformed to suitably cover the shaft.

SUMMARY OF THE INVENTION

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, das obengenannte Problem zu lösen. Gemäß vorliegender Erfindung befindet sich die Eingreifgrenze nicht an der radialen Innenfläche, die einer der Rillen entspricht, sondern an einer radialen Innenfläche des vordersten Endes der Seitenwand. Das vorderste Ende weist einen Außendurchmesser auf, der kleiner ist als der Großteil der anderen Abschnitte der Seitenwand, so daß eine verringerte Dicke darin vorliegt, wodurch seine Spannungskonzentration verringert wird.An object of the present invention is to solve the above problem. According to the present invention, the engagement limit is not located on the radially inner surface corresponding to one of the grooves, but on a radially inner surface of the frontmost end of the side wall. The frontmost end has an outer diameter smaller than most of the other portions of the side wall so that there is a reduced thickness therein, thereby reducing its stress concentration.

Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Turbinenrotor nach Anspruch 1 bereitgestellt.According to the present invention there is provided a turbine rotor according to claim 1.

Vorzugsweise hat die radiale Innenfläche der Seitenwand der Metallwelle eine allgemein zylindrische Gestalt;Preferably, the radial inner surface of the side wall of the metal shaft has a generally cylindrical shape;

0,7 ≤ a/t ≤ 2,50.7 ≤ a/t ≤ 2.5

worin "a" die Länge einer radialen Außenfläche des vordersten Endes in axialer Richtung der Metallwelle bezeichnet; undwhere "a" denotes the length of a radial outer surface of the foremost end in the axial direction of the metal shaft; and

"t" eine durchschnittliche Dicke des vordersten Endes bezeichnet."t" denotes an average thickness of the leading end.

Weiters gilt vorzugsweiseFurthermore, preferably

1,0 ≤ a/t ≤ 2,01.0 ≤ a/t ≤ 2.0

VorzugsweisePreferably

1,0 ≤ d/D ≤ 1,21.0 ≤ d/D ≤ 1.2

worin "d" den durchschnittlichen Durchmesser an der radialen Außenfläche des vordersten Endes bezeichnet; undwhere "d" is the average diameter at the radial outer surface of the foremost end; and

"D" einen durchschnittlichen Durchmesser an der radialen Innenfläche der Seitenwand bezeichnet."D" means an average diameter on the radial inner surface of the sidewall.

Weiters gilt vorzugsweiseFurthermore, preferably

1,05 ≤ d/D ≤ 1,21.05 ≤ d/D ≤ 1.2

Vorzugsweise weist die Seitenwand eine Stufe in ihrer radialen Außenfläche auf, so daß sich das vorderste Ende von der Stufe zu einer Endfläche des vordersten Endes erstreckt.Preferably, the side wall has a step in its radially outer surface so that the foremost end extends from the step to an end surface of the foremost end.

Vorzugsweise besteht das offene Ende der Metallwelle aus einem Metallmaterial mit einem durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6-8 · 10&supmin;&sup6;/ºC in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 450ºC, und einer Kriechfestigkeit von nicht weniger als 500 MPa bei 450ºC über 200 h.Preferably, the open end of the metal shaft is made of a metal material having an average thermal expansion coefficient of 6-8 x 10-6/ºC in a temperature range from room temperature to 450ºC, and a creep strength of not less than 500 MPa at 450ºC for 200 hours.

Vorzugsweise weist die Metallwelle einen Wellenabschnitt auf, der mit dem offenen Ende verbunden ist, und das offene Ende besteht aus einer durch Alterung härtenden Legierung mit einer Rockwell-Härte HRC von zumindest 35.Preferably, the metal shaft has a shaft portion connected to the open end, and the open end is made of an age-hardening alloy having a Rockwell hardness HRC of at least 35.

Vorzugsweise weist die Metallwelle einen Wellenabschnitt auf, der mit dem offenen Ende verbunden ist, und die Metallwelle wird durch folgende Schritte hergestellt: Abschrecken und Vergüten des Wellenabschnitts, so daß sich eine Rockwell-Härte HRC von 35-45 ergibt; und Verbinden der Wellenabschnitts mit dem offenen Ende.Preferably, the metal shaft has a shaft portion connected to the open end, and the metal shaft is manufactured by the steps of: quenching and tempering the shaft portion to give a Rockwell hardness HRC of 35-45; and connecting the shaft portion to the open end.

Vorzugsweise weist das vorderste Ende eine Kante in der radialen Innenfläche auf, und die Kante ist verjüngt oder abgeschrägt. Vorzugsweise wird eine Rillen in der radialen Außenfläche des Hauptabschnitts der Seitenwand ausgebildet.Preferably, the foremost end has an edge in the radially inner surface, and the edge is tapered or bevelled. Preferably, a groove is formed in the radially outer surface of the main portion of the side wall.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Fig. 1 ist eine Querschnittansicht des Turbinenrotors gemäß vorliegender Erfindung. Dabei handelt es sich um eine vergrößerte Ansicht von Teil A von Fig. 2.Fig. 1 is a cross-sectional view of the turbine rotor according to the present invention. This is an enlarged view of part A of Fig. 2.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Turbinenrotors gemäß vorliegender Erfindung, worin ein Teil des Turbinenrotors im Querschnitt gezeigt wird.Fig. 2 is a side view of the turbine rotor according to the present invention, wherein a portion of the turbine rotor is shown in cross-section.

Fig. 3 ist eine Querschnittansicht des vordersten Endes der Metallwelle des Turbinenrotors gemäß vorliegender Erfindung. Dabei handelt es sich um eine vergrößerte Ansicht von Teil B von Fig. 1.Fig. 3 is a cross-sectional view of the frontmost end of the metal shaft of the turbine rotor according to the present invention. This is an enlarged view of part B of Fig. 1.

Fig. 4 ist eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Turbinenrotors.Fig. 4 is a cross-sectional view of a conventional turbine rotor.

Fig. 5 ist eine Querschnittansicht des vordersten Endes der Metallwelle des Turbinenrotors gemäß vorliegender Erfindung.Fig. 5 is a cross-sectional view of the frontmost end of the metal shaft of the turbine rotor according to the present invention.

Fig. 6 ist eine Querschnittansicht des vordersten Endes der Metallwelle des Turbinenrotors gemäß vorliegender Erfindung.Fig. 6 is a cross-sectional view of the frontmost end of the metal shaft of the turbine rotor according to the present invention.

DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Fig. 1 ist der vergrößerte Teil A von Fig. 2. In Fig. 2 weist ein Turbinenrotor einen Keramikrotor 20 und eine durch Eingriff damit verbundene Metallwelle 10 auf. Der Keramikrotor 20 weist eine Nabe 22, eine Vielzahl von Schaufeln 24, die sich in allgemein radiale Richtungen von der Nabe erstrecken, eine Achse 26, die koaxial mit der Nabe 22 verbunden ist, sowie eine Bosse 28 auf, die an der gegenüberliegenden Seite der Achse 26 koaxial mit der Nabe 22 verbunden ist. Die Schaufeln 24 erstrecken sich in radiale Richtungen, während sie in eine Rotationsrichtung des Rotors 20 leicht verdreht sind, so daß Fluid die Schaufeln 24 weiterschieben und von diesen abfließen kann. Die Bosse 28 weist eine radiale Außenfläche auf, die aus einer Vielzahl von sich in axiale Richtungen erstreckenden Rillen gebildet ist. Der Abstand der Rillen ist typischerweise konstant.Fig. 1 is the enlarged portion A of Fig. 2. In Fig. 2, a turbine rotor includes a ceramic rotor 20 and a metal shaft 10 engaged therewith. The ceramic rotor 20 includes a hub 22, a plurality of blades 24 extending in generally radial directions from the hub, an axle 26 coaxially connected to the hub 22, and a boss 28 coaxially connected to the hub 22 on the opposite side of the axle 26. The blades 24 extend in radial directions while being slightly twisted in a direction of rotation of the rotor 20 so that fluid can push and flow off the blades 24. The boss 28 has a radial outer surface formed from a plurality of grooves extending in axial directions. The distance between the grooves is typically constant.

Vorzugsweise sind die Nabe 22, die Schaufeln 24, die Achse 26 und die Bosse 28 einstückig ausgebildet, um den Keramikrotor zu ergeben. Der Keramikrotor kann durch ein Verfahren erhalten werden, das folgende Schritte umfaßt: Formen eines Keramikmaterials, das ein Keramikpulver und ein organisches Bindemittel umfaßt, um ein Formerzeugnis mit einer gewünschten Gestalt zu ergeben, wie in Fig. 2 gezeigt; Erhitzen des Formerzeugnisses, um das organische Bindemittel im wesentlichen zu entfernen; und Sintern des Formerzeugnisses zwecks Verdichtung. Vorzugsweise wird das Formerzeugnis zwischen dem Schritt des Erhitzens des Formerzeugnisses und dem Schritt des Brennens des Formerzeugnisses isostatischem Pressen unterzogen, um die Poren darin zu reduzieren.Preferably, the hub 22, the blades 24, the axle 26 and the bosses 28 are integrally formed to form the ceramic rotor. The ceramic rotor can be a process comprising the steps of: molding a ceramic material comprising a ceramic powder and an organic binder to give a molded article having a desired shape as shown in Fig. 2; heating the molded article to substantially remove the organic binder; and sintering the molded article to densify it. Preferably, between the step of heating the molded article and the step of firing the molded article, the molded article is subjected to isostatic pressing to reduce pores therein.

Die Metallwelle 10 weist einen Wellenabschnitt 18a mit einem größeren Durchmesser und einen Wellenabschnitt 18b mit einem kleineren Durchmesser auf, der koaxial mit dem Wellenabschnitt 18a verbunden ist. Der Wellenabschnitt 18a weist ein offenes Ende 11 auf, das koaxial damit verbunden ist, und der Wellenabschnitt 18b weist ein geschlossenes Ende 19 auf, das koaxial damit verbunden ist.The metal shaft 10 has a shaft portion 18a with a larger diameter and a shaft portion 18b with a smaller diameter that is coaxially connected to the shaft portion 18a. The shaft portion 18a has an open end 11 that is coaxially connected thereto, and the shaft portion 18b has a closed end 19 that is coaxially connected thereto.

In Fig. 1 weist das offene Ende 11 eine Seitenwand 14 auf, die eine radiale Außenfläche 14t und eine radiale Innenfläche 14s aufweist, die beide eine allgemein zylindrische Gestalt haben. Die radiale Innenfläche 14s bildet einen Hohlraum 12 zum Aufnehmen der Achse 26 des Keramikrotors 20.In Fig. 1, the open end 11 has a side wall 14 having an outer radial surface 14t and an inner radial surface 14s, both of which have a generally cylindrical shape. The inner radial surface 14s forms a cavity 12 for receiving the axle 26 of the ceramic rotor 20.

Die Seitenwand 14 weist einen Hauptabschnitt an der Seite der Metallwelle 18a und ein vorderstes Ende 15 an der Seite einer Endfläche 15c auf. Die Seitenwand 14 weist eine Stufe 15a in der radialen Außenfläche 14t auf, so daß sich das vorderste Ende 15 von der Stufe 15a zur Endfläche 15c des offenen Endes 11 erstreckt.The side wall 14 has a main portion on the side of the metal shaft 18a and a frontmost end 15 on the side of an end surface 15c. The side wall 14 has a step 15a in the radially outer surface 14t so that the frontmost end 15 extends from the step 15a to the end surface 15c of the open end 11.

Ein durchschnittlicher Durchmesser an der radialen Außenfläche 15t des vordersten Endes 15 ist kleiner als ein Durchmesser an der radialen Außenfläche 14t des Großteils des Hauptabschnitts in der Seitenwand 14, so daß im Vergleich zum Hauptabschnitt in der Seitenwand 14 im vordersten Ende 15 eine verringerte Dicke entsteht. Der Großteil des Hauptabschnitts der Seitenwand 14 weist keine Rillen 16, 17 auf, die in der radialen Außenfläche 14t der Seitenwand 14 ausgebildet sind.An average diameter at the radial outer surface 15t of the front end 15 is smaller than a diameter at the radial outer surface 14t of the majority of the main portion in the side wall 14, so that a reduced thickness is formed in the front end 15 compared to the main portion in the side wall 14. The majority of the main portion of the side wall 14 has no grooves 16, 17 formed in the radial outer surface 14t of the side wall 14.

In Fig. 1 verläuft die radiale Außenfläche 15t des vordersten Endes im allgemeinen parallel zur axialen Richtung. Die radiale Außenfläche 15t des vordersten Endes muß jedoch nicht zur axialen Richtung parallel verlaufen. In Fig. 1 erstreckt sich die Stufe 15a in Richtungen parallel zu den radialen Richtungen. Die Stufe 15a muß sich jedoch nicht in Richtungen parallel zu radialen Richtungen erstrecken.In Fig. 1, the radial outer surface 15t of the foremost end is generally parallel to the axial direction. However, the radial outer surface 15t of the foremost end is not required to be parallel to the axial direction. In Fig. 1, the step 15a extends in directions parallel to the radial directions. However, the step 15a is not required to extend in directions parallel to radial directions.

Gemäß vorliegender Erfindung ist die durchschnittliche Dicke "t" des vordersten Endes 15 kleiner als eine Dicke eines Großteils des Hauptabschnitts der Seitenwand 14. Die Dicke "t" im vordersten Ende 5 kann konstant sein, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Dicke "t" im vordersten Ende 15 kann jedoch auch nicht konstant sein. Beispielsweise kann eine radiale Außenfläche 15t des vordersten Endes 15 verjüngt sein.According to the present invention, the average thickness "t" of the leading end 15 is smaller than a thickness of a majority of the main portion of the side wall 14. The thickness "t" in the leading end 15 may be constant, as shown in Fig. 3. However, the thickness "t" in the leading end 15 may not be constant. For example, a radially outer surface 15t of the leading end 15 may be tapered.

Gemäß vorliegender Erfindung befindet sich die Eingreifgrenze 29 an einer radialen Innenfläche 15 s des vordersten Endes 15 der Seitenwand 14. Mit Eingreifgrenze 29 ist eine Grenze zwischen (a) dem Bereich, in dem die radiale Außenfläche 26s der Achse 26 des Keramikrotors 20 und die radiale Innenfläche 14s der Seitenwand 14 der Metallwelle 10 einander berühren, und (b) dem Bereich gemeint, in dem sie einander nicht berühren. Es besteht die Tendenz zum Auftreten von Spannungskonzentration an der Eingreifgrenze, und ein vorderstes Ende 15 mit begrenzter Dicke mildert die Spannungskonzentration.According to the present invention, the engagement boundary 29 is located at a radially inner surface 15s of the leading end 15 of the side wall 14. The engagement boundary 29 means a boundary between (a) the region where the radially outer surface 26s of the axis 26 of the ceramic rotor 20 and the radially inner surface 14s of the side wall 14 of the metal shaft 10 contact each other and (b) the region where they do not contact each other. Stress concentration tends to occur at the engagement boundary, and a leading end 15 with a limited thickness alleviates the stress concentration.

In Fig. 1 ist eine radiale Außenfläche 26s der Achse 26 an einer Verbindung 25 mit einer Außenfläche der Nabe 22 verbunden, wobei sich ein Krümmungsradius ändert, so daß ein kleiner Vorsprung an der Verbindung 25 entsteht. Ein solcher kleiner Vorsprung kann jedoch auch nicht ausgebildet sein.In Fig. 1, a radial outer surface 26s of the axle 26 is connected to an outer surface of the hub 22 at a connection 25, wherein a radius of curvature changes so that a small projection is formed at the connection 25. However, such a small projection may also not be formed.

Die radiale Außenfläche 26s der Achse 26 ist in einem Abschnitt nahe der Verbindung 25 verjüngt. Ein Krümmungsradius an der verjüngten Oberfläche 26s ist größer als ein Krümmungsradius an der Ecke 15b des vordersten Endes 15.The radially outer surface 26s of the axle 26 is tapered in a portion near the connection 25. A radius of curvature at the tapered surface 26s is larger than a radius of curvature at the corner 15b of the frontmost end 15.

In Fig. 1 befindet sich Verbindung 25 an einer imaginären Verlängerung der radialen Außenfläche 15t des vordersten Endes 15. Die Verbindung kann sich jedoch außerhalb oder innerhalb der imaginären Verlängerung der radialen Außenfläche 15t des vordersten Endes 15 befinden.In Fig. 1, connection 25 is located on an imaginary extension of the radial outer surface 15t of the frontmost end 15. However, the connection may be located outside or inside the imaginary extension of the radial outer surface 15t of the frontmost end 15.

An der radialen Außenfläche 14t der Seitenwand 14 sind eine Rille 16 zum Aufnehmen eines Dichtungsrings und eine Rille 17 zum Aufnehmen eines Ölschleuderrings ausgebildet. Beide Rillen 16, 17 sind vorzugsweise im gesamten Umfang der radialen Außenfläche 14t ausgebildet. Die Rillen 16, 17 weisen Querschnitte in Querrichtung mit rechteckiger Gestalt bzw. halbkreisförmiger Gestalt auf. Die Gestalten der Rillen sind jedoch gemäß vorliegender Erfindung nicht beschränkt.On the radial outer surface 14t of the side wall 14, a groove 16 for receiving a seal ring and a groove 17 for receiving an oil slinger are formed. Both grooves 16, 17 are preferably formed in the entire circumference of the radial outer surface 14t. The grooves 16, 17 have cross sections in the transverse direction of a rectangular shape and a semicircular shape, respectively. However, the shapes of the grooves are not limited according to the present invention.

In Fig. 5 weist ein vorderstes Ende 45 eine radiale Außenfläche 45t auf, die sich nicht parallel zur axialen Richtung erstreckt. Die radiale Außenfläche 45t der Seitenwand 44 ist verjüngt, so daß das vorderste Ende 45 mit einem kleineren Außendurchmesser entsteht. Die Seitenwand ist aus einer Stufe 45a gebildet, die sich nicht im rechten Winkel zur axialen Richtung erstreckt. Der Winkel zwischen Stufe 45a und der axialen Richtung liegt vorzugsweise im Bereich von 90º bis 170º. Die Eingreifgrenze 49 befindet sich an einer radialen Innenfläche des vordersten Endes 45.In Fig. 5, a leading end 45 has a radial outer surface 45t that does not extend parallel to the axial direction. The radial outer surface 45t of the side wall 44 is tapered to form the leading end 45 with a smaller outer diameter. The side wall is formed of a step 45a that does not extend at a right angle to the axial direction. The angle between the step 45a and the axial direction is preferably in the range of 90° to 170°. The engagement limit 49 is located on a radial inner surface of the leading end 45.

In Fig. 6 weist ein vorderstes Ende 55 eine radiale Außenfläche 55t auf, die sich nicht parallel zur axialen Richtung erstreckt. Die radiale Außenfläche 55t der Seitenwand 54 ist verjüngt, so daß das vorderste Ende 55 mit einem kleineren Außendurchmesser entsteht. In Fig. 6 ist die Seitenwand 54 nicht aus einer Stufe gebildet, und eine radiale Außenfläche 54t der Seitenwand verläuft kontinuierlich zur radialen Außenfläche 55t im vordersten Ende 55, das keine Stufe aufweist. Ein Winkel an der Verbindung zwischen der radialen Außenfläche 54t der Seitenwand 54 und der radialen Außenfläche 55t des vordersten Endes 55 kann im Bereich von 135º bis 175º liegen und liegt vorzugsweise im Bereich von 150º bis 175º. Die Eingreifgrenze 59 befindet sich an einer radialen Innenfläche 55s des vordersten Endes 55.In Fig. 6, a front end 55 has a radial outer surface 55t which does not extend parallel to the axial direction. The radial outer surface 55t of the side wall 54 is tapered so that the front end 55 is formed with a smaller outer diameter. In Fig. 6, the side wall 54 is not formed of a step, and a radial outer surface 54t of the side wall is continuous with the radial outer surface 55t in the front end 55 which has no step. An angle at the connection between the radial outer surface 54t of the side wall 54 and the radial outer surface 55t of the foremost end 55 may be in the range of 135º to 175º and is preferably in the range of 150º to 175º. The engagement limit 59 is located on a radial inner surface 55s of the foremost end 55.

Examples example 1

In Beispiel 1 wurde ein in den Fig. 1-3 gezeigter Turbinenrotor hergestellt. Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikrotors 20 beschrieben. 100 Gewichtsteile Siliziumnitridpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,0 um wurden mit 2 Gewichtsteilen SrO&sub2;-Pulver, 3 Gewichtsteilen MgO-Pulver und 3 Gewichtsteilen CeO&sub2;-Pulver gemischt. Zu 100 Gewichtsteilen des resultierenden Gemisches wurden 20 Gewichtsteile eines organischen Bindemittels zugegeben, das im wesentlichen aus Paraffinwachs bestand und einen Schmelzpunkt von 62ºC aufwies. Das resultierende Gemisch wurde Spritzgießen unterzogen, was ein Formerzeugnis mit der Gestalt eines Keramikrotors 20 mit einem Schaufeldurchmesser von 65 mm ergab.In Example 1, a turbine rotor shown in Figs. 1-3 was manufactured. First, a method for manufacturing a ceramic rotor 20 will be described. 100 parts by weight of silicon nitride powder having an average particle diameter of 1.0 µm was mixed with 2 parts by weight of SrO₂ powder, 3 parts by weight of MgO powder and 3 parts by weight of CeO₂ powder. To 100 parts by weight of the resulting mixture was added 20 parts by weight of an organic binder consisting essentially of paraffin wax and having a melting point of 62°C. The resulting mixture was subjected to injection molding to give a molded product having the shape of a ceramic rotor 20 having a blade diameter of 65 mm.

Das Formerzeugnis wurde vollständig mit einem anorganischen Pulver bedeckt, das aktiviertes Aluminiumoxid als Hauptkomponente enthielt. Das Formerzeugnis mit dem anorganischen Pulver wurde in einem Elektroofen erhitzt, um das organische Bindemittel zu entfernen. Die Temperatur wurde mit einer Rate von 1ºC/h von Raumtemperatur auf 60ºC angehoben und 30 h lang auf 60ºC gehalten; dann mit einer Rate von 2ºC/h von 60ºC auf 180ºC angehoben und 20 h lang auf 180ºC gehalten; weiters mit einer Rate von 3ºC/h von 180ºC auf 450ºC angehoben und 10 h lang auf 450ºC gehalten; und schließlich wurde der Ofen von 450ºC auf Raumtemperatur abgekühlt.The molded product was completely covered with an inorganic powder containing activated alumina as a main component. The molded product with the inorganic powder was heated in an electric furnace to remove the organic binder. The temperature was raised from room temperature to 60°C at a rate of 1°C/h and kept at 60°C for 30 hours; then raised from 60°C to 180°C at a rate of 2°C/h and kept at 180°C for 20 hours; further raised from 180°C to 450°C at a rate of 3°C/h and kept at 450°C for 10 hours; and finally the furnace was cooled from 450°C to room temperature.

Dann wurde das aus dem anorganischen Pulver herausgenommene Formerzeugnis in einer Stickstoffatmosphäre 1 h lang auf 1.700ºC gehalten, um das Formerzeugnis zu sintern.Then, the molded product taken out from the inorganic powder was kept at 1,700°C in a nitrogen atmosphere for 1 hour to sinter the molded product.

Die Achse 26 des Sintererzeugnisses 20 wurde Schleifen mit einer metallverbundenen Diamantschleifscheibe Nr. 270 und dann einer Endfertigungsbearbeitung mit einem grünen Carbidschleifscheibe unterzogen, so daß sie einen Außendurchmesser von 12,003 bis 12,008 mm aufwies. Die Art und Feinheit der Schleifscheibe sowie die Arbeitsbedingungen wurden so festgelegt, daß die Welle des Rotors nach dem Endbearbeitungsschritt eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,1 bis 0,8 um, eine Rundheit von 0,06 um oder weniger und eine Zylindrizität von 0,012 um oder weniger aufwies. Das Ende der Achse 26 wurde weiters einem Abschrägen mit C1 und R 1,5 mm unterzogen.The shaft 26 of the sintered product 20 was subjected to grinding with a metal-bonded diamond grinding wheel No. 270 and then to finishing with a green carbide grinding wheel so that it had an outer diameter of 12.003 to 12.008 mm. The type and fineness of the grinding wheel and the working conditions were determined so that the shaft of the rotor after the finishing step had a surface roughness Ra of 0.1 to 0.8 µm, a roundness of 0.06 µm or less and a cylindricity of 0.012 µm or less. The end of the shaft 26 was further subjected to chamfering with C1 and R 1.5 mm.

Weiters wird ein Verfahren zur Herstellung einer Metallwelle 10 beschrieben. Ein Rundstab mit 18 mm Durchmesser, der aus einer hitzebeständigen Legierung mit niedriger Wärmedehnung (Markenname HRA 929 von Hitachi Metals, Ltd.) bestand, wurde auf eine Länge von 20 mm geschnitten und dann zu einem Rundstab mit 18 mm Durchmesser und 15 mm Länge bearbeitet. Getrennt davon wurde ein Rundstab mit 12 mm Durchmesser, der aus einem Strukturlegierungsstahl (SNCM 439) bestand, Kaltschmieden unterzogen, um eine Weile mit einem Wellenabschnitt 18a, einem Wellenabschnitt 18b und einem Ende 19 zu erhalten. Die resultierenden beiden Rundstäbe wurden durch Reibschweißen koaxial verbunden. Der Verbundkörper wurde in einem Elektroofen 6 h lang einer Wärmebehandlung bei 780ºC und dann 8 h lang bei 680ºC unterzogen, um ihn im HRA 929-Abschnitt zu altern, so daß er gehärtet wurde und eine HRC-Härte von 38-45 aufwies.Further, a method for manufacturing a metal shaft 10 is described. An 18 mm diameter round bar made of a heat-resistant alloy with low thermal expansion (brand name HRA 929 of Hitachi Metals, Ltd.) was cut to a length of 20 mm and then machined into an 18 mm diameter round bar 15 mm long. Separately, a 12 mm diameter round bar made of a structural alloy steel (SNCM 439) was subjected to cold forging to obtain a shaft having a shaft portion 18a, a shaft portion 18b and an end 19. The resulting two round bars were coaxially joined by friction welding. The composite body was subjected to heat treatment in an electric furnace at 780ºC for 6 hours and then at 680ºC for 8 hours to age it in the HRA 929 section so that it was hardened and had a HRC hardness of 38-45.

Der verbundene Körper wurde mit einer Drehbank bearbeitet, um einen Hohlraum 12 am Ende 11 des HRA-Abschnitts auszubilden. Die radiale Außenfläche 14t der Seitenwand 14 wurde Schleifen unterzogen, um ein vorderstes Ende 15 auszubilden. Die Größe des vordersten Endes 15 wird in Tabelle 1 gezeigt. Die radiale Innenfläche 14s der Seitenwand 14 wurde so bearbeitet, daß sie einen Innendurchmesser von 11,923± 0,02 mm, eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,1-0,8 um und eine Rundheit von 0,020 um oder weniger aufwies. Die Welle 18a des SNCM-Rundstabs wurde maschinell bearbeitet, so daß sie eine Außendurchmesser von 9,5 mm aufwies.The bonded body was machined with a lathe to form a cavity 12 at the end 11 of the HRA portion. The radial outer surface 14t of the side wall 14 was subjected to grinding to form a leading end 15. The size of the leading end 15 is shown in Table 1. The radial inner surface 14s of the side wall 14 was machined to have an inner diameter of 11.923±0.02 mm, a surface roughness Ra of 0.1-0.8 µm and a roundness of 0.020 µm or less. The shaft 18a of the SNCM round rod was machined to have an outside diameter of 9.5 mm.

Unter Einsatz einer Preßpassungsmaschine wurde die Achse 26 des Keramikrotors 20 in den Hohlraum 12 der Metallwelle 10 einsetzt, um einen Verbundkörper zu erhalten. Die Preßpassung wurde so gewählt, daß der Außendurchmesser der Achse 26 um 50- 130 um größer war als der Innendurchmesser der radialen Innenfläche 14s der Seitenwand 14.Using a press-fitting machine, the axle 26 of the ceramic rotor 20 was inserted into the cavity 12 of the metal shaft 10 to obtain a composite body. The press fit was selected so that the outer diameter of the axle 26 was 50-130 µm larger than the inner diameter of the radial inner surface 14s of the side wall 14.

Der Verbundkörper aus dem Keramikrotor 20 und der Metallwelle 10 wurde auf eine Drehbank aufgesetzt, und die Metallwelle 10 wurde Grobbearbeitung unterzogen, gefolgt von Endbearbeitung mit einem Schleifer. In der radialen Außenfläche der Seitenwand 14 wurden eine Rille 16 zum Aufnehmen eines Dichtungsrings und eine Rille 17 zum Aufnehmen eines Ölschleuderrings ausgebildet. Die Endbearbeitung wurde am Keramikrotor 20 im Deckband und der Spitze an einem Ende einer jeden Schaufel 24 vorgenommen.The composite body of the ceramic rotor 20 and the metal shaft 10 was set on a lathe, and the metal shaft 10 was subjected to rough machining, followed by finishing with a grinder. A groove 16 for receiving a seal ring and a groove 17 for receiving an oil slinger were formed in the radially outer surface of the side wall 14. Finishing was performed on the ceramic rotor 20 in the shroud and the tip at one end of each blade 24.

Examples 2-20

Keramikrotoren und Metallwellen wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Größe des vordersten Endes 15 im offenen Ende 11 einer jeden Metallwelle 10.Ceramic rotors and metal shafts were manufactured in the same manner as in Example 1, except for the size of the leading end 15 in the open end 11 of each metal shaft 10.

Comparison examples 1-5

Keramikrotoren wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Metallwellen wurden jedoch ohne Ausbildung des vordersten Endes hergestellt; d. h., die radiale Außenfläche 14s der Seitenwand 14 ist von jeglicher Stufe frei, und die Seitenwand 14 weist mit Ausnahme der Rillen 16, 17 einen konstanten Außendurchmesser auf.Ceramic rotors were manufactured in the same manner as in Example 1. However, metal shafts were manufactured without forming the leading end; that is, the radial outer surface 14s of the side wall 14 is free from any step, and the side wall 14 has a constant outer diameter except for the grooves 16, 17.

Evaluation

Es wurde ein Turbolader zusammengebaut, der einen der obigen Turborotoren umfaßte. Der Turbolader wurde an einem Benzinmotor mit einem Hubraum von 2.000 cm³ angebracht. Unter Einsatz eines Motor-Dynamometers wurden die Betriebsbedingungen des Motors so eingestellt, daß sich die Turbine mit 120.000 Umin drehte; die Temperatur des Abgases am Einlaß der Turbine erreichte 950ºC. Die Anordnung wurde 200 h lang kontinuierlich betrieben. Nach dem Betrieb wurde der Turbinenrotor von der Anordnung abgenommen und sein Aussehen betrachtet.A turbocharger was assembled incorporating one of the above turbo rotors. The turbocharger was mounted on a gasoline engine with a displacement of 2,000 cc. Using an engine dynamometer, the operating conditions of the engine were adjusted so that the turbine rotated at 120,000 rpm; the temperature of the exhaust gas at the inlet of the turbine reached 950ºC. The assembly was operated continuously for 200 hours. After operation, the turbine rotor was removed from the assembly and its appearance was observed.

Dann wurde ein Wärmezyklustest durchgeführt. Der Turbinenrotor wurde in einem Elektroofen 5 min auf 500ºC erhitzt. Dann wurde der Rotor aus dem Ofen genommen und in einer Minute auf 100ºC abgekühlt, indem Druckluft auf den Eingriffabschnitt des Keramikrotors und der Metallwelle geblasen wurde. Eine Wärmezyklus, der aus dem Erwärmen und Abkühlen bestand, wurde 300mal wiederholt.Then, a heat cycle test was conducted. The turbine rotor was heated in an electric furnace at 500ºC for 5 min. Then, the rotor was taken out of the furnace and cooled to 100ºC in one minute by blowing compressed air onto the meshing portion of the ceramic rotor and the metal shaft. A heat cycle consisting of heating and cooling was repeated 300 times.

Nach dem Wärmezyklustest wurde ein Drehbiegetest durchgeführt. Der Turbinenrotor jedoch, dessen Eingriffabschnitt beim Wärmezyklustest brach, wurde keinem Drehbiegetest unterzogen.After the heat cycle test, a torsional bending test was conducted. However, the turbine rotor whose meshing portion broke during the heat cycle test was not subjected to a torsional bending test.

Beim Drehbiegetest wurde die Welle 18a, 18b des Turbinenrotors an einer Lehre befestigt, und eine bestimmte Belastung wurde von einem Autographen an das Ende der Bosse 28 des Keramikrotors 20 ausgeübt. Unter dieser Bedingung wurde der Keramikrotor 20 mit einer Rate von 1,5 Umin um eine Umdrehung, d. h. 360º, gedreht. Die Belastung begann mit 60 kp und erhöhte sich schrittweise jeweils um 20 kp, und der Test wurde fortgesetzt, bis die Achse 26 des Keramikrotors 20 brach. Es ist anzumerken, daß 1 kp gleich 9,80665 Newton ist.In the rotary bending test, the shaft 18a, 18b of the turbine rotor was fixed to a jig and a certain load was applied by an autograph to the end of the bosses 28 of the ceramic rotor 20. Under this condition, the ceramic rotor 20 was rotated at a rate of 1.5 rpm for one revolution, i.e., 360º. The load started at 60 kgf and increased gradually by 20 kgf each and the test was continued until the axis 26 of the ceramic rotor 20 broke. It is to be noted that 1 kgf is equal to 9.80665 Newton.

Die Testergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 The test results are shown in Table 1. Table 1

In der Spalte für den Wärmezyklustest und den Drehbiegetests in Tabelle 1 bedeutet "gebrochen", daß die Achse 26 des Keramikrotors 20 brach. In der Spalte für den Wärmezyklustest in Tabelle 1 bedeutet "gesprungen", daß die Seitenwand 14 des offenen Endes 11 der Metallwelle 10 Risse bekam. In der Spalte für den Drehbiegetest in Tabelle 1 bedeutet "außer Eingriff gebracht", daß die Achse des Keramikrotors 20 mit dem offenen Ende 11 der Metallwelle 10 außer Eingriff kam.In the column for the thermal cycle test and the rotary bending tests in Table 1, "broken" means that the axis 26 of the ceramic rotor 20 broke. In the column for the thermal cycle test in Table 1, "cracked" means that the side wall 14 of the open end 11 of the metal shaft 10 cracked. In the column for the rotary bending test in Table 1, "disengaged" means that the axis of the ceramic rotor 20 disengaged from the open end 11 of the metal shaft 10.

Die Beispiele 11 und 16 weisen in etwa das gleiche Verhältnis "d/D" von etwa 1,08 und ein unterschiedliches Verhältnis "a/t" von 2,00 bzw. 2,55 auf. Demgemäß ist das Verhältnis "a/t" vorzugsweise 2 oder weniger.Examples 11 and 16 have approximately the same "d/D" ratio of about 1.08 and a different "a/t" ratio of 2.00 and 2.55, respectively. Accordingly, the ratio "a/t" is preferably 2 or less.

In den Vergleichsbeispielen 1 bis 5 wies jeder Turbinenrotor nach dem Wärmezyklustest in seinem Aussehen Risse in der radialen Außenfläche 14t der Seitenwand 14 auf.In Comparative Examples 1 to 5, each turbine rotor after the heat cycle test had cracks in its appearance in the radial outer surface 14t of the side wall 14.

Beim Turbinenrotor gemäß vorliegender Erfindung wird die Spannungskonzentration an der Eingreifgrenze gemildert, so daß Rißbildung an der Welle des Keramikrotors verhindert und die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramikrotor und der Metallwelle erhöht wird.In the turbine rotor according to the present invention, the stress concentration at the meshing boundary is alleviated, so that cracking of the shaft of the ceramic rotor is prevented and the connection strength between the ceramic rotor and the metal shaft is increased.

Claims

1. Turbine rotor, comprising:

a ceramic rotor (20) comprising a hub (22), a plurality of blades (24) extending in generally radial directions from the hub, an axle (26) coaxially connected to the hub and having a cylindrical radial outer surface, and a boss (28) coaxially connected to the hub on the side opposite the axle; and

a metal shaft (10) coaxially engaged by a press fit with the axis (26) of the ceramic microtor (20), the metal shaft having a cavity (12) at one end which receives the axis (26) and is bounded by a side wall (14) having a cylindrical radial inner surface region which contacts the outer surface of the axis (26), the radial inner surface and the outer surface being cylindrical substantially over their entire length over which they contact each other,

wherein, as seen in axial cross-section, the side wall (14) defining the cavity (12) has, from its foremost end closest to the hub (22),

(i) first, a first section (15),

(ii) adjoining the first section (15) is a second section having a greater radial wall thickness than that of the first section and having a larger outer diameter than the first section, and

(iii) a groove (16) in the outer surface of the side wall, spaced from the first portion, and

wherein the end of the engagement region of the contact between the inner surface of the side wall (14) and the outer surface of the axle (26) nearer the hub (22) is located on the inner surface of the first portion (15) of the side wall (14) and the inner surface of the first portion (15) curves away from the outer surface of the axle at the end of the engagement region.

2. Turbine rotor according to claim 1, wherein:

0.7 ≤ a/t ≤ 2.5

where a is the length of the radial outer surface of the first portion (15) of the metal shaft; and t is the average thickness of the first portion (15).

3. Turbine rotor according to claim 2, wherein

1.0 ≤ a/t ≤ 2.0

4. Turbine rotor according to one of claims 1 to 3, wherein

1.0 ≤ d/D ≤ 1.2

where d is the average diameter of the radial outer surface of the first section (15); and

D is the average diameter of the radial inner surface of the side wall (14).

5. Turbine rotor according to claim 4, wherein

1.05 ≤ d/D ≤ 1.2

6. Turbine rotor according to one of claims 1 to 5, wherein the side wall (14) has a step in its radially outer surface so that the first portion (15) extends from the step to the forwardmost end of the shaft.

7. Turbine rotor according to one of claims 1 to 6, wherein the end of the metal shaft defining the cavity is made of a metal material having an average coefficient of thermal expansion of 6-8 · 10-6/ºC from room temperature to 450ºC and a creep strength of not less than 500 MPa at 450º for 200 hours.

8. Turbine rotor according to one of claims 1 to 7, wherein the metal shaft has a shaft portion connected to the end defining the cavity, and the open end is made of a precipitation hardening alloy having a Rockwell hardness HRC of at least 35.