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高考申論題 113年 [航空器維修] 航空發動機基本原理

第 一 題

📖 題組:
對一個渦輪軸發動機,其結構如下圖所示:
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

其壓縮器渦輪與低壓渦輪(自由渦輪或動力渦輪)是否相連接?(7 分)

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考生看到此題應先觀察圖中的機械軸結構(綠色軸與藍色軸是否相連),並回想「自由渦輪(Free Turbine)」的定義。自由渦輪顧名思義即為與核心引擎(燃氣產生器)在物理機械上分離的渦輪,兩者僅靠氣動力傳遞能量,從而推導出兩者不相連的結論。

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【破題】 否,壓縮器渦輪與低壓渦輪(自由渦輪/動力渦輪)在機械結構上「不相連接」。 【論述】

小題 (二)

其熱力循環與渦輪噴射發動機是否有不同?(7 分)

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看到這題,考生應首先確立兩種發動機均屬燃氣渦輪引擎,基本熱力循環皆為「布雷頓循環(Brayton cycle)」。接著,需進一步點出兩者在熱力學應用上最大的差異在於「膨脹過程的能量提取與輸出形式」(產生氣流推力 vs. 輸出機械軸功率)。

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【破題】 兩者的「基本熱力循環模型」是相同的,皆遵循布雷頓循環(Brayton Cycle);但兩者在膨脹過程中的「能量分配與輸出形式」上有所不同。 【論述】

小題 (三)

渦輪噴射發動機與渦輪軸發動機之主要產生推力的方式有何不同?試以其 T-S 循環圖輔助說明之。(11 分)

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看到此題,應立即聯想到布雷頓循環(Brayton Cycle)中「燃氣能量分配」的差異。解題關鍵在於說明渦輪噴射發動機將剩餘熱能轉化為排氣動能(靠噴嘴),而渦輪軸發動機則透過動力渦輪將熱能極大化轉化為機械軸功。T-S圖的輔助重點應放在「等熵膨脹段」的區段劃分與排氣狀態點的差異。

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【破題】 渦輪噴射發動機(Turbojet)與渦輪軸發動機(Turboshaft)均以布雷頓循環(Brayton Cycle)為基礎,兩者核心差異在於「燃氣可用能量(焓降)的分配方式」,亦即膨脹過程後能量轉換為排氣動能還是旋轉軸功。 【論述】

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