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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinenkomponenten. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung Turbinenkomponenten, die ein Innendeckband und ein Außendeckband aufweisen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Betrieb von Turbinenkomponenten in Turbinenanlagen und Energieerzeugungssystemen bei höherer Temperatur und höherem Druck ermöglicht einen verbesserten Wirkungsgrad und einen Betrieb in neuen Konfigurationen. Eine Auswahl von Materialien, die für einen Betrieb bei solchen höheren Temperaturen und Drücken fähig sind, ist schwierig. Solche Materialien können zu kostspielig, schwer zu produzieren oder schwierig herzustellen sein. Außerdem kann die Verwendung solcher unterschiedlicher Materialien eine Veränderung von Kühlmechanismen erforderlich machen, die andere Komplikationen bewirken können.
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Im Allgemeinen ist die Verwendung von weniger Material für einen ähnlichen oder verbesserten Betrieb erwünscht. Die Verwendung von weniger Material verringert das Gewicht, senkt die mit der Herstellung verbundenen Kosten, senkt Materialkosten und bietet einige andere Vorteile. Die Verwendung von weniger Material kann jedoch komplizierte geometrische Anforderungen generieren und/oder unerwünschte Kräfte, die vorher nicht erzeugt wurden, wie z.B. Spannungskräfte, hervorrufen. Außerdem kann, wie in dem Falle der Verwendung verschiedener Materialien, die Verwendung von weniger Material komplizierte und/oder teure Änderungen an dem Kühlmechanismus erfordern, was andere Komplikationen mit sich bringen kann.
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Es besteht somit ein fortdauernder Wunsch, Materialien herzustellen, die in der Lage sind, höheren Temperaturen und Drücken standzuhalten, die man in geringeren Mengen/Gewichten anwenden kann, die für einen Betrieb in der Lage sind, ohne unerwünschte Kräfte hervorzurufen, und die für einen Einsatz unter Betriebsbedingungen in der Lage sind, ohne dass komplizierte und/oder teure Kühlmechanismen anzuwenden verwendet werden müssen.
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Eine Turbinenkomponente, die eine oder mehrere Verbesserungen im Vergleich zu dem Stand der Technik zeigt, wäre in der Fachwelt erwünscht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einer Ausführungsform enthält eine Turbinenkomponente ein Außendeckband und ein Innendeckband mit einem ersten Hakenbereich, der sich über einen ersten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt, und einem zweiten Hakenbereich, der sich über einen zweiten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt. Der erste Hakenbereich und der erste Abschnitt definieren einen ersten Hakenspalt, und der zweite Hakenbereich und der zweite Abschnitt definieren einen zweiten Hakenspalt. Ein erster radialer Spalt erstreckt sich zwischen dem ersten Hakenbereich gegenüber dem ersten Hakenspalt und dem Außendeckband, und ein zweiter radialer Spalt erstreckt sich zwischen dem zweiten Hakenbereich gegenüber dem zweiten Hakenspalt und dem Außendeckband. Der erste Hakenspalt, der zweite Hakenspalt, der erste radiale Spalt und der zweite radiale Spalt sind eingerichtet und angeordnet, um dem Innendeckband zu ermöglichen, unter thermischer Belastung von dem Außendeckband auszulenken.
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In der zuvor erwähnten Turbinenkomponente kann das Innendeckband einen Keramikmatrix-Verbundstoff enthalten.
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Der Keramikmatrix-Verbundstoff kann eine Si-C-Faser und eine SiC-Matrix enthalten.
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Insbesondere kann die Si-C-Faser in dem Keramikmatrix-Verbundstoff eine Konzentration, gemessen am Volumen, von zumindest 20% aufweisen.
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Bei der Turbinenkomponente einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Außendeckband ein Metall oder ein metallisches Material enthalten.
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Bei der Turbinenkomponente einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Innendeckband eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 200 W/m∙K aufweisen.
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Ferner kann das Innendeckband eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/m∙K aufweisen.
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Das Innendeckband weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 120 W/m∙K auf.
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Bei der Turbinenkomponente einer beliebigen vorstehend erwähnten Art verbinden sich während des Betriebs der Turbinenkomponente das Innendeckband und das Außendeckband vorzugsweise nicht.
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In einer Ausführungsform kann die Turbinenkomponente ferner eine Aufprallplatte aufweisen, die zwischen dem Innendeckband und dem Außendeckband angeordnet ist.
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Die Aufprallplatte kann ein Metall enthalten.
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Bei der Turbinenkomponente einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Außendeckband einen inneren Hohlraum enthalten.
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Der innere Hohlraum kann unter Druck gesetzt sein.
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Insbesondere kann der innere Hohlraum auf einen Druck, der gleich oder größer als der Druck des Heißgaspfads ist, unter Druck gesetzt werden.
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Die Turbinenkomponente einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner einen Querspalt aufweisen, der sich parallel zu zumindest einem Abschnitt des Innendeckbands zwischen dem ersten Hakenbereich und dem zweiten Hakenbereich erstreckt.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Turbinenkomponente ferner ein zusätzliches Innendeckband aufweisen, das an das Innendeckband anliegend angeordnet ist und sich über den ersten Abschnitt des Außendeckbands und den zweiten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt.
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Weiter zusätzlich oder in einer weiteren Alternative kann die Turbinenkomponente ferner eine Umgebungs-Sperrbeschichtung aufweisen, die zumindest auf einem Abschnitt des Innendeckbands positioniert ist, um mit dem Heißgaspfad in Kontakt zu stehen.
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Die Umgebungs-Sperrbeschichtung kann eine abreibbare Einlaufbeschichtung sein.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält eine Turbinenkomponente ein Außendeckband und ein Innendeckband mit einem ersten Hakenbereich, der sich über einen ersten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt, und einem zweiten Hakenbereich, der sich über einen zweiten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt. Das Innendeckband enthält einen Keramikmatrix-Verbundstoff, der eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 200 W/m∙K und mehr als 10 W/m∙K aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält eine Turbinenkomponente ein Außendeckband und ein Innendeckband mit einem ersten Hakenbereich, der sich über einen ersten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt, und einem zweiten Hakenbereich, der sich über einen zweiten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt. Der erste Hakenbereich und der erste Abschnitt definieren einen ersten Hakenspalt, und der zweite Hakenbereich und der zweite Abschnitt definieren einen zweiten Hakenspalt, wobei der erste Hakenspalt und der zweite Hakenspalt eingerichtet und angeordnet sind, um dem Innendeckband zu ermöglichen, unter thermischer Belastung von dem Außendeckband auszulenken. Das Innendeckband enthält Keramikmatrix-Verbundfasern mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 200 W/m∙K und mehr als 10 W/m∙K.
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Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen, offensichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Komponente, die ein Innendeckband und eine Außendeckband aufweist, gemäß der Offenbarung.
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Wo immer möglich, werden in allen Zeichnungen durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile zu kennzeichnen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Turbinenkomponente geschaffen. Im Vergleich zu Konzepten, die es vermissen lassen, ein oder mehrere hierin offenbarte Merkmale zu enthalten, sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beispielsweise in der Lage, einfacher repariert und ersetzt zu werden, können höheren Temperaturen und Drücken standhalten, können in geringeren Mengen/Gewichten angewendet werden, sind zum Betrieb in der Lage, ohne unerwünschte Kräfte zu generieren, können unter betrieblichen Bedingungen ohne Verwendung komplizierter und/oder teurer Kühlmechanismen eingesetzt werden und/oder sind zur mechanischen Belastung in der Lage, um Leckagen zu reduzieren, wodurch die Betriebswirkungsgrade einer Maschine verbessert werden.
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1 zeigt eine Ausführungsform einer Turbinenkomponente 100, die beispielsweise in einem Energieerzeugungssystem, einer Turbine oder beiden verwendet werden kann. Die Turbinenkomponente 100 enthält ein Außendeckband 101 und ein Innendeckband 103, das einen ersten Hakenbereich 105, der sich über einen ersten Abschnitt 109 des Außendeckbands 101 erstreckt, und einen zweiten Hakenbereich 107 aufweist, der sich über einen zweiten Abschnitt 111 des Außendeckbands 101 erstreckt. Der erste Hakenbereich 105 und der erste Abschnitt 109 definieren einen ersten Hakenspalt 113, und der zweite Hakenbereich 107 und der zweite Abschnitt 111 definieren einen zweiten Hakenspalt 115. Ein erster radialer Spalt 114 erstreckt sich zwischen dem ersten Hakenbereich 105 gegenüber dem ersten Hakenspalt 113 und dem Außendeckband 101, und ein zweiter radialer Spalt 116 erstreckt zwischen dem zweiten Hakenbereich 107 gegenüber dem zweiten Hakenspalt 115 und dem Außendeckband 101. Der erste Hakenspalt 113, der zweite Hakenspalt 115, der erste radiale Spalt 114 und der zweite radiale Spalt 116 sind eingerichtet und angeordnet, um dem Innendeckband 103 zu ermöglichen, unter thermischer Belastung von dem Außendeckband 101 auszulenken.
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Der erste Hakenspalt 113, der zweite Hakenspalt 115, der erste radiale Spalt 114 und der zweite radiale Spalt 116 weisen eine beliebige geeignete Geometrie auf, die eine Auslenkung ermöglicht, um eine Beanspruchung während eines Betriebseinsatzes der Turbinenkomponente 100 zu reduzieren oder zu beseitigen. In einer Ausführungsform enthält eine geeignete Geometrie beispielsweise quaderförmige Kanäle, die sich oberhalb des Innendeckbands 103 erstrecken. Obwohl der Begriff „Haken“ verwendet wird und 1 einen ersten gekrümmten Abschnitt 102, einen ersten ebenen Abschnitt 104 in der Nähe des ersten gekrümmten Abschnitts 102, einen zweiten gekrümmten Abschnitt 106 in der Nähe des ersten ebenen Abschnitts 104 und einen zweiten ebenen Abschnitt 108 in der Nähe des zweiten gekrümmten Abschnitts 106 zeigt, wobei sich der zweite ebene Abschnitt 108 im Wesentlichen parallel zu dem Innendeckband und einem Heißgaspfad 119 erstreckt, sollte es verstanden werden, dass eine abgewinkelte, bogenförmige, gekringelte, kurvenförmige oder eine andere Anordnung, die sich in zumindest drei gesonderten Ebenen erstreckt, unter dem Begriff „Haken“ betrachtet werden soll. Andere geeignete Geometrien umfassen ein rechteckiges Prisma, einen Schlitz, einen Abschnitt eines Zylinders (wie z.B. einen Halbzylinder), einen Bogen mit einer ebenen oder im Wesentlichen ebenen Begrenzung, die die Enden des Bogens verbindet, oder eine beliebige andere Geometrie, die eine Auslenkung ermöglicht, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
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Der erste Hakenbereich 105, der erste radiale Spalt 114 und der erste Abschnitt 109 befinden sich in der Nähe einer Vorderkante 127, verglichen mit einer Hinterkante 129. Der zweite Hakenbereich 107, der zweite radiale Spalt 116 und der zweite Abschnitt 111 befinden sich in der Nähe der Hinterkante 129, im Vergleich mit der Vorderkante 127. Der erste Hakenbereich 105 und der zweite Hakenbereich 107 sichern das Innendeckband 103 anpassbar an dem Außendeckband 101. In einer Ausführungsform sind das Innendeckband 103 und das Außendeckband 101 in der Lage, ohne Verschraubung aneinander gesichert zu werden, gestützt auf den ersten Hakenbereich 105, der sich über den ersten Abschnitt 109 des Außendeckbands 101 erstreckt, und auf den zweiten Hakenbereich 107, der sich über den zweiten Abschnitt 111 des Außendeckbands 101 erstreckt. Es können beliebige andere geeignete Kraft liefernde Mechanismen dazu verwendet werden, das Außendeckband 101 und das Innendeckband 103 sowie zusätzliche Innendeckbänder in Ausführungsformen mit mehreren Innendeckbändern 103 weiter zu sichern.
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In einer Ausführungsform ermöglicht die Anordnung des Außendeckbands 101 und des Innendeckbands 103 in Verbindung mit den ausgewählten Materialien eine wahlweises Entfernen, Reparieren und/oder Ersetzen des Innendeckbands 103 von dem Außendeckband 101. In einer Ausführungsform verbinden sich beispielsweise das Innendeckband 103 und das Außendeckband 101 unter geeigneten Betriebsbedingungen der Turbinenkomponente 100 nicht miteinander. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „verbinden“ auf ein örtliches Nachgeben oder eine örtliche Deformation des Außendeckbands 101, z.B. oberhalb des zweiten ebenen Abschnitts 108. Geeignete Betriebsbedingungen umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Temperaturen von ungefähr 1200°F bis oberhalb von 3200°F (ungefähr 650°C bis ungefähr 1760°C).
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Das Innendeckband 103 und das Außendeckband 101 enthalten beliebige geeignete Materialien, die in der Lage sind, unter den Betriebsbedingungen des Energieerzeugungssystems, der Turbine oder eines beliebigen sonstigen Systems, das die Turbinenkomponente 100 verwendet, eingesetzt zu werden. In einer Ausführungsform enthält das Außendeckband 101 ein Metall oder ein metallisches Material, wie z.B. eine Nickel-basierte Legierung oder korrosionsbeständigen Stahl. In einer Ausführungsform enthält das Innendeckband 103 einen Keramikmatrix-Verbundstoff. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „Keramikmatrix-Verbundstoff“ kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff (C/C), kohlenstofffaserverstärktes Siliziumkarbid (C/SiC), siliziumcarbidfaserverstärktes Siliziumkarbid (SiC/SiC) und siliziumcarbidfaserverstärkten Oxidmatrix-Verbundwerkstoff, ist aber nicht darauf beschränkt. In einer Ausführungsform weist der Keramikmatrix-Verbundstoff eine erhöhte Dehnbarkeit, Bruchzähigkeit, Thermoschockbeständigkeit, dynamische Belastbarkeit und verbesserte anisotrope Eigenschaften verglichen mit einer monolithischen keramischen Struktur auf. Ein geeigneter Keramikmatrix-Verbundstoff enthält z.B. eine Si-C-Faser und eine SiC-Matrix, mit der Si-C-Faser bei einer Konzentration, gemessen am Volumen, in dem Keramikmatrix-Verbundstoff von z.B. zumindest ungefähr 20%, zumindest ungefähr 23%, zumindest ungefähr 28%, zumindest ungefähr 30%, zwischen ungefähr 23% und ungefähr 32%, oder jede beliebige geeignete Kombination, Unterkombination, einen Bereich oder Unterbereich davon.
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Die Materialien für das Innendeckband 103 werden ausgewählt, um einen ausgewählten Wärmeleitfähigkeitsbereich für die Turbinenkomponente 100 zu schaffen. In einer Ausführungsform beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Innendeckbands 103 und/oder des Materials für das Innendeckband 103 weniger als 200 W/m∙K, weniger als 150 W/m∙K, weniger als 140 W/m∙K, weniger als 130 W/m∙K oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen Bereich oder Unterbereich davon. Zusätzlich oder alternativ beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Innendeckbands 103 und/oder des Materials für das Innendeckband 103 in einer Ausführungsform mehr als 10 W/m∙K, weniger als 50 W/m∙K, mehr als 100 W/m∙K, weniger als 110 W/m∙K oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen Bereich oder Unterbereich davon. In einer Ausführungsform beträgt die Wärmeleitfähigkeit 120 W/m∙K.
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Das Innendeckband 103 und/oder das Außenband 101 enthält/enthalten beliebige andere geeignete Merkmale, die eine Auslenkung unter thermischer Belastung nicht negativ beeinflussen. In einer Ausführungsform enthält das Außenband 101 beispielsweise einen innere Hohlraum 117, der eine Strömung eines Fluids (z.B. von Luft oder Druckluft) ermöglicht. Der innere Hohlraum 117 kann z.B. mittels Keildichtungen an Umfangsflächen der Turbinenkomponente 100 sowie mittels nachgiebiger Dichtungen an der Vorderkante 127 und/oder der Hinterkante 129 abgedichtet werden. In einer Ausführungsform ist der innere Hohlraum 117 mit Druck beaufschlagt, z.B. bis zu dem mehr als der Betriebsdruck und/oder der Druck des Heißgaspfads 119, der entlang des entfernten Abschnitts des Innendeckbands 103 relativ zu dem Außendeckband 101 verläuft. In einer Ausführungsform erstreckt sich ein Querspalt 121 parallel, im Wesentlichen parallel oder tangential zwischen dem Innendeckband 103 und dem Außendeckband 101 von dem ersten Hakenbereich 105 aus zu dem zweiten Hakenbereich 107, und er ermöglicht es, dass die Wärme von dem Innendeckband 103 auf das Außendeckband 101 übertragen wird. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Aufprallplatte 123 zwischen dem Innendeckband 103 und dem Außendeckband 101 positioniert. Die Aufprallplatte 123 enthält ein Material, das mit demjenigen des Innendeckbands 103 identisch, ähnlich oder von diesem verschieden ist, und erzielt eine Kühlung durch Wärmeübertragung zu dem inneren Hohlraum 117.
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Das Innendeckband 103 enthält beliebige geeignete Merkmale, um auf Betriebsparameter, wie z.B. Temperatur oder Druck, zu reagieren, die daraus herrühren, dass es positioniert ist, um mit den heißen Gasen innerhalb des Heißgaspfads 119 in Kontakt zu stehen. In einer Ausführungsform enthält das Innendeckband 103 beispielsweise eine Umgebungs-Sperrbeschichtung 125, die an einem Teil oder an allen Oberflächen des Innendeckbands 103 angeordnet ist, die positioniert sind, um mit den heißen Gasen in dem Heißgaspfad 119 in Kontakt zu stehen. Die Umgebungs-Sperrbeschichtung 125 ist eine beliebige geeignete Beschichtung, die für einen Betrieb in dem Heißgaspfad 119 fähig ist. Um ein Blattspitzenspiel zu ermöglichen, ist in einer Ausführungsform eine (nicht gezeigte) abreibbare Einlaufbeschichtung an dem Innendeckband 103 innerhalb des Heißgaspfads 119 enthalten. Geeignete Materialien für die Umgebungs-Sperrbeschichtung 125 und die abreibbare Einlaufbeschichtung umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Barium-Strontium-Aluminiumsilikate, Mullit, Yttrium-stabilisiertes Zirkonium, Yttrium-Mono- und -Disilikate, Ytterbium-Mono- und -Disilikate und deren Kombinationen.
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Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Elemente derselben durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zudem können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den wesentlichen Umfang derselben zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle, als beste Art zur Umsetzung der Erfindung offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen enthalten soll, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
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Es ist eine Turbinenkomponente offenbart. Die Turbinenkomponente enthält ein Außendeckband und ein Innendeckband, das einen ersten Hakenbereich, der sich über einen ersten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt, und einen zweiten Hakenbereich aufweist, der sich über einen zweiten Abschnitt des Außendeckbands erstreckt. Ein erster Hakenspalt, ein zweiter Hakenspalt, ein erster radialer Spalt und ein zweiter radialer Spalt sind eingerichtet und angeordnet, um dem Innendeckband zu ermöglichen, unter thermischer Belastung von dem Außendeckband auszulenken. Zusätzlich oder alternativ enthält das Innendeckband Keramikmatrix-Verbundfasern mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 200 W/m∙K und mehr als 10 W/m∙K.
