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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine Turbine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Laufschaufelkranz für eine Turbine sowie eine Turbine mit einem derartigen Laufschaufelkranz.
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Turbinen sind Strömungsmaschinen, die zur Umwandlung der Enthalpie eines Arbeitsfluids in kinetische Energie ausgebildet sind. Herkömmliche Turbinen weisen ein Turbinengehäuse auf, das einen Strömungsraum zum Durchströmen des Arbeitsfluids umgibt. Im Strömungsraum ist eine rotatorisch gelagerte Turbinenwelle mit einer Vielzahl von Laufschaufeln angeordnet, die über sogenannte Laufschaufelträger an der Turbinenwelle gehalten sind. Ein mit Laufschaufeln bestückter Laufschaufelträger wird auch als Laufschaufelkranz bezeichnet. Herkömmliche Turbinen weisen oftmals eine Mehrzahl hintereinander angeordneter Laufschaufelkränze auf. Laufschaufelträger können an der Turbinenwelle befestigt oder integral mit dieser ausgebildet sein. Zur Optimierung der Anströmung der Laufschaufeln mit Arbeitsfluid weisen herkömmliche Turbinen Leitschaufelkränze auf, die jeweils einem Laufschaufelkranz vorgeschaltet und an dem Turbinengehäuse gehalten bzw. fixiert sind. Eine Gruppe aus einem Leitschaufelkranz mit einem diesem zugeordneten Laufschaufelkranz wird auch als Turbinenstufe bezeichnet.
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Beim Durchströmen der Turbine gibt das Arbeitsfluid einen Teil seiner inneren Energie bzw. Strömungsenergie an die Laufschaufeln ab. Durch das Anströmen eines Schaufelbereichs einer Laufschaufel wird eine Kraft auf die Laufschaufel ausgeübt, die über einen Verbindungsbereich zwischen Laufschaufel und Laufschaufelträger an den Laufschaufelträger bzw. an die Turbinenwelle weitergeleitet wird. Die mit der Turbinenwelle fest verbundenen Laufschaufeln werden hierdurch samt der Turbinenwelle um eine Turbinenwellenlängsachse in Rotation versetzt. Auf diese Weise wird Strömungsenergie in Rotationsenergie der Turbinenwelle umgewandelt.
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Eine Anbindung der Laufschaufeln an den Laufschaufelträger bzw. der Turbinenwelle ist aus diesem Grund besonderen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere bei kompakten bzw. kostengünstig ausgelegten Turbinen ist eine maximale Belastbarkeit und somit eine maximale Leistung der Turbine insbesondere aufgrund einer relativ schwachen Anbindung der Laufschaufeln am Laufschaufelträger bzw. der Turbinenwelle stark begrenzt. Einer Überbeanspruchung der Anbindung kann eine Relativbewegung der Laufschaufel zur Turbinenwelle und schlimmstenfalls ein Ausreißen bzw. Ausbrechen der Laufschaufel von der Turbinenwelle zur Folge haben. Dies stellt ein hohes Sicherheitsrisiko für das Bedienpersonal der Turbine dar. Ferner sind aufwendige Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten und somit lange Stillstandzeiten erforderlich. Dies ist mit hohen Kosten verbunden. Zur Gewährleistung einer hohen Betriebssicherheit von Turbinen ist eine sichere Anbindung der Laufschaufeln an den Laufschaufelträger bzw. an die Turbinenwelle von großer Bedeutung.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laufschaufel, einen Laufschaufelkranz sowie eine Turbine bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme beheben bzw. zumindest teilweise beheben. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laufschaufel, einen Laufschaufelkranz sowie eine Turbine zu schaffen, die mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig eine verbesserte Anbindung der Laufschaufeln an den Leitschaufelträger gewährleisten.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch eine Laufschaufel gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die voranstehende Aufgabe durch einen Laufschaufelkranz gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laufschaufel beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Laufschaufelkranz sowie der erfindungsgemäßen Turbine und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Laufschaufel für eine Turbine gelöst. Die Laufschaufel weist einen Schaufelbereich, eine Laufschaufellängsachse sowie einen am Schaufelbereich angeordneten, sich entlang der Laufschaufellängsachse erstreckenden Tannenbaumfuß zum Anbinden der Laufschaufel an einen Laufschaufelträger einer Turbinenwelle der Turbine auf. Der Tannenbaumfuß weist mindestens einen ersten Tragflankenbereich mit einer ersten Tragflanke, die zu einer Senkrechten der Laufschaufellängsachse einen ersten Tragflankenwinkel aufweist, sowie mindestens einen zweiten Tragflankenbereich mit einer zweiten Tragflanke, die zur Senkrechten der Laufschaufellängsachse einen zweiten Tragflankenwinkel aufweist, auf. Der erste Tragflankenbereich ist zwischen dem mindestens einen zweiten Tragflankenbereich und dem Schaufelbereich angeordnet. Erfindungsgemäß ist der zweite Tragflankenwinkel größer als der erste Tragflankenwinkel.
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Unter einem Schaufelbereich wird der Bereich der Laufschaufel verstanden, der im Betrieb der Turbine von dem Arbeitsfluid, wie beispielsweise Dampf, zur Umwandlung der Strömungsenergie in Rotationsenergie angeströmt wird. Der Schaufelbereich ist vorzugsweise gemäß einer herkömmlichen Laufschaufel einer Turbine ausgebildet und weist demnach vorzugsweise eine gekrümmte Anströmfläche sowie einen im Wesentlichen tropfenförmigen Querschnitt auf.
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Laufschaufeln weisen einen Anbindungsabschnitt auf, der zum formschlüssigen Anbinden der Laufschaufel an einen Laufschaufelträger ausgebildet ist. Derartige Anbindungsbereiche weisen einen Formschlussabschnitt mit einer Hinterschneidung auf, die zum Eingreifen in eine entsprechend ausgebildete Haltenut des Laufschaufelträgers ausgebildet ist. Die Laufschaufeln sind somit in einer Linearbewegung auf den Laufschaufelträger aufschiebbar. Der Formschlussabschnitt ist dabei derart ausgebildet, dass eine Montage bzw. Demontage einer Laufschaufel parallel zur Turbinenwellenlängsachse erfolgen kann. In der Praxis haben sich Anbindungsabschnitte mit einer tannenbaumförmigen Hüllkurve bewährt, die aus diesem Grund auch als Tannenbaumfuß bezeichnet werden. Eine breite Grundseite des Tannenbaumfußes ist vorzugsweise dem Schaufelbereich zugewandt, wobei ein spitzes Ende des Tannenbaumfußes, das auch eine Rundung oder Abkantungen aufweisen kann, dem Schaufelbereich abgewandt ist.
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Der Tannenbaumfuß weist mindestens einen ersten Tragflankenbereich und mindestens einen zweiten Tragflankenbereich auf, die entlang der Laufschaufellängsachse hintereinander angeordnet und vorzugsweise spiegelsymmetrisch oder zumindest im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Laufschaufellängsachse ausgebildet sind. Zur Übertragung einer Kraft von der Laufschaufel auf den Laufschaufelträger weist der erste Tragflankenbereich eine erste Tragflanke und der zweite Tragflankenbereich eine zweite Tragflanke auf. Die erste Tragflanke weist zu einer Senkrechten der Laufschaufellängsachse, die auch als Laufschaufelquerachse bezeichnet werden kann, einen ersten Tragflankenwinkel auf. Die zweite Tragflanke weist zur Senkrechten der Laufschaufellängsachse einen zweiten Tragflankenwinkel auf. Der erste Tragflankenbereich ist zwischen dem Schaufelbereich und dem zweiten Tragflankenbereich angeordnet. Vorzugsweise weist der erste Tragflankenbereich zwei erste Tragflanken und der zweite Tragflankenbereich zwei zweite Tragflanken auf, die auf entgegengesetzten Seiten der Laufschaufellängsachse angeordnet sind.
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Zwischen dem Schaufelbereich und dem Tannenbaumfuß ist vorzugsweise ein Kragenbereich ausgebildet, der den Tannenbaumfuß seitlich überragt und somit einen Anbindungsbereich von Tannenbaumfuß und Laufschaufelträger nach außen vor dem Arbeitsfluid abschirmt bzw. zumindest teilweise abschirmt. Somit ist der erste Tragflankenbereich vorzugsweise zwischen dem zweiten Tragflankenbereich und dem Kragenbereich angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist der zweite Tragflankenwinkel größer als der erste Tragflankenwinkel. Der erste Tragflankenwinkel ist vorzugsweise relativ flach ausgebildet, um eine optimale Kraftaufnahme der ersten Tragflanke zu gewährleisten und eine asymmetrische Kraftverteilung zu vermeiden, die ein ungewolltes Aufbiegen der Haltenut des Laufschaufelträgers bewirken kann. Der zweite Tragflankenbereich ist im montierten Zustand näher an einer Turbinenwellenlängsachse angeordnet als der erste Tragflankenbereich und ist somit im Betrieb der Turbine einem geringeren Biegemoment als der erste Tragflankenbereich ausgesetzt.
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Ein größerer zweiter Tragflankenwinkel als der erste Tragflankenwinkel hat bei gleicher Erstreckung des Tannenbaumfußes entlang der Laufschaufellängsachse den Vorteil, dass eine minimale Breite des Tannenbaumfußes und somit ein Querschnitt im Bereich des zweiten Tragflankenbereichs vergrößerbar ist. Eine maximale Zugspannung im Tannenbaumfuß ist somit leicht reduzierbar. Ferner ist auf diese Weise eine Vergrößerung eines Radius im zweiten Tragflankenbereich erzielbar, so dass Kerbwirkungen im zweiten Tragflankenbereich reduziert sind. Überdies ist hierdurch eine zweite Tragflankenfläche der zweiten Tragflanke vergrößerbar, so dass eine Flächenpressung auf die zweite Tragflanke im Betrieb der Turbine reduziert ist. Hierdurch ist eine Belastbarkeit der Laufschaufeln bzw. einer Turbine mit derartigen Laufschaufeln vergrößert, da die Laufschaufeln über einen derartig ausgebildeten Tannenbaumfuß sicherer an einen Laufschaufelträger anbindbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einer Laufschaufel vorgesehen sein, dass der erste Tragflankenbereich eine erste Rundung mit einem ersten Radius aufweist, die sich von der ersten Tragflanke in Richtung des Schaufelbereichs erstreckt, und dass der zweite Tragflankenbereich eine zweite Rundung mit einem zweiten Radius aufweist, die sich von der zweiten Tragflanke in Richtung der ersten Tragflanke erstreckt, wobei der zweite Radius größer als der erste Radius ist. Die erste Rundung und die zweite Rundung sind konkav ausgebildet. Eine zweite Rundung mit einem relativ großen zweiten Radius hat den Vorteil, dass eine Kerbwirkung im zweiten Tragflankenbereich reduziert ist. Ferner ist ein minimaler Querschnitt des zweiten Tragflankenbereichs mittels einer relativ großen zweiten Rundung bei gleicher maximaler Breite des zweiten Tragflankenbereichs vergrößerbar und somit eine maximale Zugspannung in dem minimalen Querschnitt reduzierbar.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass bei einer Laufschaufel der Tannenbaumfuß spiegelsymmetrisch zur Laufschaufellängsachse ausgebildet ist. Unter Spiegelsymmetrischer Ausbildung des Tannenbaumfuß wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine spiegelsymmetrische Ausbildung der ersten Tragflanken und der zweiten Tragflanken verstanden. Ein derartiger Tannenbaumfuß ist leicht herstellbar und zur gleichmäßigen Kraftübertragung auf den Laufschaufelträger bzw. die Turbinenwelle ausgebildet.
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Weiter bevorzugt weist der erste Tragflankenbereich eine erste maximale Flankenbreite und der zweite Tragflankenbereich eine zweite maximale Flankenbreite quer zur Laufschaufellängsachse auf, wobei die erste maximale Flankenbreite größer als die zweite maximale Flankenbreite ist. Eine maximale Flankenbreite ist eine maximale Erstreckung in Breitenrichtung des Tannenbaumfußes in dem jeweiligen Tragflankenbereich. Somit weist der Tannenbaumfuß entlang der Laufschaufellängsachse ausgehend vom ersten Tragflankenbereich abnehmende maximale Breiten auf. Eine Laufschaufel mit einem derartigen Tannenbaumfuß weist eine verbesserte Kraftübertragung auf.
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Vorzugsweise betragen der erste Tragflankenwinkel zwischen 10° und 30° und der zweite Tragflankenwinkel zwischen 20° und 50°. Besonders bevorzugt betragen der erste Tragflankenwinkel zwischen 18° und 22° und der zweite Tragflankenwinkel zwischen 36° und 44°. Insbesondere bevorzugt beträgt der erste Tragflankenwinkel 20° und der zweite Tragflankenwinkel 40°. Ferner ist bevorzugt, dass der zweite Tragflankenwinkel mindestens das 1,5-fache des ersten Tragflankenwinkels beträgt. Bei derartigen Tragflankenwinkeln hat sich gezeigt, dass besonders geringe Kerbwirkungen auftreten und verhältnismäßig hohe Kräfte über die Tragflanken übertragbar sind.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Tragflanke eine erste Tragflankenlänge und die zweite Tragflanke eine zweite Tragflankenlänge aufweist, wobei die zweite Tragflankenlänge größer als die erste Tragflankenlänge ist. Eine relativ große zweite Tragflankenlänge hat den Vorteil, dass eine Flächenpressung im zweiten Tragflankenbereich geringer als im ersten Tragflankenbereich ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Laufschaufelkranz einer Turbinenwelle einer Turbine gelöst. Der Laufschaufelkranz weist einen Laufschaufelträger sowie eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Laufschaufeln auf, die an dem Laufschaufelträger gehalten sind. Der Laufschaufelträger weist für jede Laufschaufel eine Haltenut auf, die zum formschlüssigen Halten der Laufschaufel einer Geometrie des Tannenbaumfußes der Laufschaufel angepasst ist.
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Der Tannenbaumfuß der Laufschaufel ist somit formschlüssig in der Haltenut aufnehmbar. Über die Tragflanken der Laufschaufel sind Kräfte auf entsprechende Aufnahmeflanken der Haltenut übertragbar. Vorzugsweise entsprechen Aufnahmeflächen der Aufnahmeflanken Tragflächen der Tragflanken in Form und Größe. Der Laufschaufelträger kann als separates Bauteil ausgebildet sein, welches drehfest mit einer Turbinenwelle verbindbar ist. Alternativ kann der Laufschaufelträger integral mit der Turbinenwelle ausgebildet sein.
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Ein erfindungsgemäßer Laufschaufelkranz weist dieselben Vorteile auf, wie voranstehend bezüglich der erfindungsgemäßen Laufschaufel beschrieben sind. Durch die verschiedenen Tragflankenwinkel ist eine maximale Zugspannung im Tannenbaumfuß leicht reduzierbar. Ferner können auf diese Weise Kerbwirkungen im zweiten Tragflankenbereich reduziert werden. Überdies ist eine Flächenpressung auf die zweite Tragflanke im Betrieb der Turbine reduzierbar. Hierdurch ist eine Belastbarkeit der Laufschaufeln bzw. einer Turbine mit derartigen Laufschaufeln vergrößert, da die Laufschaufeln über einen derartig ausgebildeten Tannenbaumfuß sicherer an den Laufschaufelträger angebunden sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Turbine zum Wandeln innerer Energie eines Arbeitsfluids in Rotationsenergie gelöst. Die Turbine weist einen Strömungsraum zum Durchströmen des Arbeitsfluids, ein Turbinengehäuse zum Begrenzen des Strömungsraums, eine um eine Turbinenwellenlängsachse drehbar gelagerte Turbinenwelle und mindestens einen an der Turbinenwelle angeordneten erfindungsgemäßen Laufschaufelkranz auf.
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Der Strömungsraum ist durch das Turbinengehäuse nach außen begrenzt. Das Arbeitsfluid ist in einer Strömungsrichtung durch den Strömungsraum leitbar, um somit gegen die Laufschaufeln zu strömen, Strömungsenergie an die Laufschaufeln abzugeben und somit die Turbinenwelle in Rotation zu versetzen. Der Laufschaufelträger des Laufschaufelkranzes kann als separates Bauteil ausgebildet sein, welches drehfest mit der Turbinenwelle verbunden ist. Alternativ kann der Laufschaufelträger integral mit der Turbinenwelle ausgebildet sein.
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Eine erfindungsgemäße Turbine weist dieselben Vorteile auf, wie voranstehend bezüglich der erfindungsgemäßen Laufschaufel sowie des erfindungsgemäßen Laufschaufelkranzes beschrieben sind. Durch die verschiedenen Tragflankenwinkel ist eine maximale Zugspannung im Tannenbaumfuß leicht reduzierbar. Ferner können auf diese Weise Kerbwirkungen im zweiten Tragflankenbereich reduziert werden. Überdies ist eine Flächenpressung auf die zweite Tragflanke im Betrieb der Turbine reduzierbar. Hierdurch ist eine Belastbarkeit der Turbine vergrößert, da die Laufschaufeln über einen derartig ausgebildeten Tannenbaumfuß sicherer an den Laufschaufelträger angebunden sind.
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Eine erfindungsgemäße Laufschaufel, ein erfindungsgemäßer Laufschaufelkranz und eine erfindungsgemäße Turbine werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufel, und
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2 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine.
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In 1 ist ein Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 1 schematisch in einer Draufsicht dargestellt. In dieser Abbildung ist die Laufschaufel 1 nur bis zu einer Laufschaufellängsachse 4 abgebildet. Vorzugsweise ist die Laufschaufel spiegelsymmetrisch zur Laufschaufellängsachse 4 ausgebildet. Die Laufschaufel weist einen Schaufelbereich 3 und einen Tannenbaumfuß 5 mit einem im Wesentlichen tannenbaumförmigen Profil auf, wobei der Schaufelbereich 3 in dieser Abbildung nur angedeutet ist. Der Tannenbaumfuß 5 der Laufschaufel 1 weist einen ersten Tragflankenbereich 8 und einen zweiten Tragflankenbereich 12 auf, wobei der erste Tragflankenbereich 8 zwischen dem zweiten Tragflankenbereich 12 und dem Schaufelbereich 3 angeordnet ist.
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Der erste Tragflankenbereich 8 weist eine erste Tragflanke 9 mit einer ersten Tragflankenlänge 21 auf, die relativ zu einer Senkrechten 10 zur Laufschaufellängsachse 4 um einen ersten Tragflankenwinkel 11 angeordnet ist. An der ersten Tragflanke 11 ist eine erste Rundung 15 mit einem ersten Radius 16 angeordnet, die sich in Richtung des Schaufelbereichs 3 erstreckt. An einem der ersten Rundung 15 entgegengesetzten Ende der ersten Tragflanke 11 weist der erste Tragflankenbereich 8 in Richtung der Senkrechten 10 eine erste maximale Flankenbreite 19 auf.
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Der zweite Tragflankenbereich 12 weist eine zweite Tragflanke 13 mit einer zweiten Tragflankenlänge 22 auf, die relativ zur Senkrechten 10 zur Laufschaufellängsachse 4 um einen zweiten Tragflankenwinkel 14 angeordnet ist. An der zweiten Tragflanke 13 ist eine zweite Rundung 17 mit einem zweiten Radius 18 angeordnet, die sich in Richtung des ersten Tragflankenbereichs 8 und somit auch des Schaufelbereichs 3 erstreckt. An einem der zweiten Rundung 17 entgegengesetzten Ende der zweiten Tragflanke 13 weist der zweite Tragflankenbereich 12 in Richtung der Senkrechten 10 eine zweite maximale Flankenbreite 20 auf.
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Wie aus 1 deutlich entnehmbar, ist der zweite Tragflankenwinkel 14 wesentlich größer als der erste Tragflankenwinkel 11 ausgebildet. Die zweite Tragflankenlänge 22 ist größer als die erste Tragflankenlänge 21. Überdies ist der zweite Radius 18 größer als der erste Radius 16. Eine derartige Laufschaufel 1 ist zur Übertragung größerer Kräfte auf eine Turbinenwelle 7 (vgl. 2) ausgebildet als eine aus dem Stand der Technik bekannte Laufschaufel 1.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 2 schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Die Turbine 2 weist ein Turbinengehäuse 26 auf, das einen Strömungsraum 25 zum Durchleiten eines Arbeitsfluids, wie beispielsweise Dampf, in eine Strömungsrichtung S nach außen begrenzt. Im Inneren des Strömungsraums 25 ist eine Turbinenwelle 7 mit einer Turbinenwellenlängsachse 27 drehbar um die Turbinenwellenlängsachse 27 angeordnet. Am Turbinengehäuse 26 sind in Strömungsrichtung S hintereinander sowie voneinander beabstandet mehrere Leitschaufelkränze 28 angeordnet, die jeweils eine Vielzahl von Leitschaufeln 29 aufweisen. In Strömungsrichtung S ist hinter jedem Leitschaufelkranz 28 ein erfindungsgemäßer Laufschaufelkranz 23 angeordnet. Die Laufschaufelkränze 23 weisen jeweils einen Laufschaufelträger 6 auf, an dem eine Vielzahl von Laufschaufeln 1 gehalten sind. Die Tannenbaumfüße 5 der Laufschaufeln 1 sind formschlüssig in entsprechend ausgebildete Haltenute 24 der Laufschaufelträger 6 aufgenommen. In dieser Ansicht sind die Tannenbaumfüße 5 nur von der Seite erkennbar, so dass das charakteristische tannenbaumförmige Profil (siehe 1) der Tannenbaumfüße 5 aus dieser Perspektive nicht erkennbar ist.
