108 高普考普通考試 輪機技術 船舶主機概要 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗考生對「四行程柴油機」熱力學循環之理論模型與工程實際差異的掌握度，以及船舶動力系統中各級熱效率之物理定義與關聯性。涉及的核心觀念包含：

1. 熱力學循環與 $P-v$ 圖特性：

• 理論循環：標準柴油機以狄塞爾循環（Diesel Cycle，定壓加熱循環）或複合循環（Dual/Sabathe Cycle，定容定壓複合加熱循環）為基準，假設工質為理想氣體、循環為可逆封閉系統，無氣門重疊與流阻損失。
• 實際四行程循環：開放式系統，工質為實際燃氣，受氣門正時（提早開啟與延遲關閉）、噴油提前角、燃料燃燒延遲、缸壁熱傳導損失、不完全燃燒及流體阻力影響，曲線呈圓滑過渡，並出現進排氣換氣產生的「負功泵氣環」（Pumping Loop）。

2. 熱效率之層級定義：

• 理論熱效率（Theoretical Thermal Efficiency, $\eta_{th}$）：衡量熱力循環在無任何不可逆損失與機械摩擦下的極限熱功轉換能力。
• 指示熱效率（Indicated Thermal Efficiency, $\eta_i$）：衡量氣缸內部工作氣體對活塞頂面實際做功的能量利用效率。
• 制動熱效率（Brake Thermal Efficiency / 有效熱效率, $\eta_b$）：衡量柴油機飛輪軸端或曲軸端實際輸出有用機械功的整體能量轉換效率。
• 三者大小關係必滿足：$\eta_{th} > \eta_i > \eta_b$，其間透過燃燒/指示損失與機械效率（$\eta_m$）相互連結。

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解題方法

一、理論與實際四行程柴油機之壓力－比容（$P-v$）圖繪製與比較

在坐標軸上，縱軸為壓力 $P$（單位：$\text{bar}$ 或 $\text{kPa}$），橫軸為比容 $v$（或氣缸容積 $V$，單位：$\text{m}^3/\text{kg}$ 或 $\text{m}^3$）。四行程柴油機活塞在上死點（TDC）與下死點（BDC）之間往復運動，對應容積分別為間隙容積 $v_c$ 與最大容積 $v_a$。

 壓力 P
 ^
 | 3 (最高燃燒壓力)
 | /\
 | / \ 實際燃燒膨脹線
 | 2 / \
 | /\______/ \
 | / 理論定壓加熱 \
 | / \
 | / (理論等熵壓縮) \ (理論等熵膨脹)
 | / [實際壓縮線] \
 | / \ 4
 | / |
 | / 實際排氣門開啟(EVO) | 理論定容放熱
 P0|--1----------------------------+--> 大氣壓線
 | | 排氣線 (P_exh > P0) |
 | |============================| 泵氣負功環 (Pumping Loop)
 | | 進氣線 (P_in < P0) |
 | +----------------------------+------->
 TDC (vc) BDC (va) 比容 v

過程與特徵對比剖析：

1. 理論狄塞爾循環（1-2-3-4-1，封閉可逆過程）：

• $1 \to 2$ 等熵壓縮：活塞由 BDC 移至 TDC，為可逆絕熱過程，滿足以比熱比 $k$ 為指數的狀態方程式 $P v^k = \text{常數}$。
• $2 \to 3$ 定壓加熱：噴油燃燒，熱量 $Q_{in}$ 於定壓下加入系統，比容由 $v_2$ 增至 $v_3$（截止點 Cut-off point）。
• $3 \to 4$ 等熵膨脹：燃氣推動活塞對外做功，為可逆絕熱過程，$P v^k = \text{常數}$。
• $4 \to 1$ 定容放熱：排氣過程簡化為定容瞬時釋放熱量 $Q_{out}$ 至環境，活塞位置保持在 BDC。
• 理論循環圍成之單一閉合面積即為循環淨功（$W_{th} > 0$）。

2. 實際四行程循環（開放式過程，含換氣與不可逆性）：

• 燃燒過程圓弧化：實際噴油具有「噴油提前角」，燃燒分滯燃期、急燃期、緩燃期及後燃期，因此在 TDC 附近最高壓力點為平滑圓角，非剛性定壓或定容。
• 多變壓縮與膨脹：受缸壁散熱、氣體洩漏與成分變化影響，實際過程為多變過程（$P v^n = \text{常數}$，其中 $n \neq k$）。
• 排氣提早開啟（EVO）：在活塞到達 BDC 前（約下死點前 $30^\circ \sim 50^\circ$）排氣門即提前開啟，形成自由排氣（Blowdown），膨脹線尾端提前向下滑落。
• 泵氣環路（Pumping Loop，負功區）：
• 排氣行程：活塞自 BDC 移至 TDC，缸內廢氣受阻排出，缸內壓力高於外界大氣壓（$P_{exh} > P_0$）。
• 進氣行程：活塞自 TDC 移至 BDC，因進氣阻力，缸內壓力低於外界大氣壓（$P_{in} < P_0$）。
• 排氣線與進氣線在 $P_0$ 附近圍成一個順時針反向（即逆時針方向進排氣迴路）的負功面積，稱為泵氣損失功。
• 氣門重疊（Valve Overlap）：在排氣末期與進氣初期（TDC 附近），進、排氣門同時開啟，以利用掃氣效應排除殘餘廢氣。

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二、三種熱效率之定義與數學式

1. 理論熱效率（Theoretical Thermal Efficiency, $\eta_{th}$）

• 定義：在理想熱力循環中，工作流體所產生的理論循環淨功（$W_{th}$）與外部供給之理論總吸熱量（$Q_{in}$）之比值。
• 數學式： $\eta_{th} = \frac{W_{th}}{Q_{in}} = \frac{Q_{in} - Q_{out}}{Q_{in}} = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ 若以標準空氣狄塞爾循環參數表示： $\eta_{th} = 1 - \frac{1}{r^{k-1}} \left[ \frac{r_c^k - 1}{k(r_c - 1)} \right]$ 其中：
• $r = \frac{v_1}{v_2}$ 為壓縮比（Compression ratio）
• $r_c = \frac{v_3}{v_2}$ 為截止比（Cut-off ratio）
• $k = \frac{c_p}{c_v}$ 為空氣比熱比

2. 指示熱效率（Indicated Thermal Efficiency, $\eta_i$）

• 定義：氣缸內部高溫高壓燃氣推動活塞頂面所作之實際指示功（Indicated Work, $W_i$ 或指示功率 $P_i$），與同時間內消耗

核心觀念

本題考查船舶推進動力系統中「柴油主機之運轉安全體系」與「遠距／氣壓操控系統之防呆保護邏輯」。 依據國際海上人命安全公約（SOLAS II-1 章第 31 條）、中華民國《船舶設備規則》動力設備編（以命題當年民國 108 年法規為準）及驗船中心（CR）規範：

1. 分級保護體系（Graded Protection）：主機異常依嚴重程度區分為「警報（Alarm）」$\rightarrow$「自動降速（Slowdown）」$\rightarrow$「自動停機（Shutdown）」$\rightarrow$「被動機械洩壓（Relief）」。
2. 連動互鎖（Interlocking Logic）：利用氣動閥件、微動開關或電子邏輯（PLC），在主機尚未達成安全條件前，物理切斷或邏輯閉鎖操作信號（如切斷啟動空氣、鎖定燃油齒條），避免因人為誤操作或機械時序錯亂引發重大損壞。

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解題方法

本題為典型的申論題，解題切入點採**「雙主線架構」**分立作答：

1. 第一部分（安全保護裝置）：按「主動切斷／減速」與「被動洩壓／防護」層級分類，說明各裝置的作動條件、動作方式與保護目的。
2. 第二部分（操控連動互鎖）：按主機操控流程（盤車 $\rightarrow$ 換向 $\rightarrow$ 啟動 $\rightarrow$ 操俥／操控站切換），條列各項互鎖的感測元件、閉鎖動作與安全機能。

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選項分析

本題屬申論題（非選擇題），無選項可資分析。本科目評閱標準中，本科題型通常依「安全保護裝置」（配分約 $50\%$）與「操控連動互鎖」（配分約 $50\%$）平均給分。考生答題時若僅寫裝置名稱而未說明「動作機制」與「保護對象」，將遭受嚴重扣分。

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解題技巧

1. 核心記憶口訣：

• 安全保護四層級：「超速跳脫、油水降停、箱閥防爆、雙層洩漏」。
• 連動互鎖五步序：「盤車脫開、換向對位、氣壓滿足、慢轉防衝、控制唯一」。

2. 常見陷阱與扣分點：

• 混淆「降速（Slowdown）」與「停機（Shutdown）」之觸發條件。主機潤滑油壓「極低」或「超速」為強制停機；軸承溫度「過高」通常先執行降速。
• 遺漏「慢轉（Slow Turning）」互鎖，慢轉是現代二行程低速機防止「液擊（Hydrostatic Lock）」最關鍵的互鎖程序。

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【答案】

一、船舶柴油主機安全保護裝置及其功能

1. 超速保護裝置（Overspeed Trip）

• 功能：當主機轉速超過額定轉速之 $110\% \sim 115\%$ 時，機械式離心飛球或電子超速感測器作動，立即切斷燃油泵供油齒條或洩放噴油控制油壓，防止主機「飛車」造成連桿斷裂、飛輪碎裂等重大毀損。

2. 自動緊急停機系統（Automatic Emergency Shutdown / Trip）

• 功能：當主機發生危及機件整體結構的極限故障時，安全系統強制釋放主油門並關閉燃油供油閥。主要觸發參數包括：
• 主軸承／推力軸承潤滑油壓力過低（$P_{\text{LO}} < \text{Low-low limit}$）。
• 活塞冷卻介質壓力過低或斷流。
• 凸輪軸潤滑油壓過低。
• 曲軸箱油霧濃度極高（High Oil Mist）。
• 手動緊急停機鈕（Emergency Stop）按下。

3. 自動減速系統（Automatic Slowdown）

• 功能：當運轉參數異常但未達立即破壞之程度時，系統自動將調速器轉速設定值降至安全轉速（如 Half Ahead 以下），降低熱負荷與機械應力，並給予輪機員排除故障之時間。主要觸發參數包括：
• 主軸承、推力軸承、大端軸承溫度過高。
• 汽缸套冷卻水出水溫度過高或壓力過低。
• 活塞冷卻油／水出口溫度過高。
• 排氣溫度各缸平均值過高或各缸偏差過大（Exhaust Gas Temp. Deviation High）。

核心觀念

本題旨在評量考生對大型船舶柴油主機（Marine Diesel Engine）整體運行所依賴之「各附屬機能系統」之全貌掌握度。柴油主機並非單一孤立的動力機械，必須仰賴流體輸送、能量轉換、熱交換及控制等多個子系統協同運作，方能實現燃燒做功、推進船舶與持續安全運轉。考點核心在於能清楚區分「燃料供應、空氣進排、熱量帶走、摩擦減磨、機械起動與運轉控制」等不同維度的子系統，並精確闡述其工程組成與具體功能。

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解題方法

本題屬「系統組成與功能說明」之申論題型。解題切入點應採系統工程分類法，將整套主機運轉系統依「物質流」（油、水、氣）與「控制流」（起動、操縱調速）劃分為六大核心系統進行結構化論述：

1. 燃油系統（能量來源與噴射霧化）
2. 潤滑油系統（減磨、冷卻、清潔與中和酸蝕）
3. 冷卻系統（防止熱應力破壞與維持正常工作溫度）
4. 進排氣與增壓系統（充量新鮮空氣與廢氣能量回收）
5. 壓縮空氣起動與換向系統（外力克服靜阻力使主機能正逆轉自持）
6. 操縱與調速控制系統（指令傳遞、轉速穩定與安全連鎖）

答題時每一系統均採「主要組成」加「核心功能」之兩段式精準說明，層次分明，符合國家考試申論題高分計分標準。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無個別選項。評分重點在於涵蓋之子系統是否完整無遺漏，以及技術名詞是否符合台灣海事工程與輪機專業術語。若僅列舉氣缸蓋、活塞、曲軸等「機械本體零件」，而忽略題目所指之「運轉機能系統」（Systems），將導致答非所問而嚴重失分。

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解題技巧

1. 記憶口訣：「二油一水、二氣一控」

• 二油：燃油系統、潤滑油系統。
• 一水：冷卻水系統。
• 二氣：進排氣增壓系統、起動與換向空氣系統。
• 一控：操縱與調速系統。

2. 論述細緻度（加分關鍵）：

• 潤滑系統務必分清大型二行程機之「系統滑油」與「氣缸油」之功能差異。
• 冷卻系統應說明「高溫淡水（HTFW）」與「低溫淡水（LTFW）」及「海水」的換熱關係。
• 起動系統應點出使用「壓縮空氣（通常約 $2.5 \sim 3.0\text{ MPa}$）」推動活塞的關鍵原理。

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【答案】

構成船舶柴油主機之各系統主要包含以下六大系統，其具體組成與功能如下：

一、燃油系統（Fuel Oil System）

1. 組成：燃油儲存艙、沉澱櫃、離心式淨油機（Purifier）、日用櫃、供油泵、增壓泵、燃油加熱器、自動反沖洗濾器、黏度控制器（Viscorator）及高壓噴油泵（Fuel Injection Pump）與噴油閥（Fuel Injector）。
2. 功能：

• 淨化與調質：去除重油中之水分與固態雜質（如催化劑粉末），並將重油加熱至指定溫度以維持適當之噴霧黏度（約 $10 \sim 15\text{ cSt}$）。
• 定時定量高壓噴射：高壓噴油泵配合凸輪或電控訊號，精確控制燃油計量與噴射正時，經噴射閥霧化為細微油霧噴入氣缸，與高溫壓縮空氣充分混合燃燒做功。

二、潤滑油系統（Lubricating Oil System）

1. 組成：滑油循環櫃（Sump Tank）、滑油泵、自動反沖洗濾器、滑油冷卻器、重力櫃、離心分離機，以及注油器（Cylinder Lubricator，針對二行程機）。
2. 功能：

• 減磨與支承：在主軸承、曲拐軸承、十字頭軸承等相對運動摩擦面間建立動壓油膜，降低磨損與摩擦損失。
• 冷卻散熱：循環滑油連續帶走軸承內部摩擦熱，並兼具冷卻活塞頂內部之功能。

核心觀念

本題考查輪機工程中「燃氣渦輪機」（Gas Turbine）之熱力循環（布雷頓循環，Brayton Cycle）之複合改良構型。主要涉及以下熱力學與機械原理：

1. 布雷頓循環淨功與背功比（Back Work Ratio, BWR）： 燃氣渦輪機的淨功輸出為渦輪輸出功減去壓氣機消耗功： $W_{\text{net}} = W_t - W_c$ 壓縮功可表示為開口系統之可逆流動功： $w_c = \int v \, dP$ 因空氣之比容 $v$ 與絕對溫度 $T$ 成正比（由理想氣體方程式 $v = \frac{RT}{P}$），降低壓縮過程中的氣體溫度，即可縮小比容，進而減少壓縮機所需消耗之軸功。

2. 中間冷卻（Intercooling）機制： 將單段壓縮拆分為「低壓壓氣機（LPC）」與「高壓壓氣機（HPC）」，兩者之間設置中間冷卻器（Intercooler），將壓縮中途之高溫空氣冷卻，使整體壓縮過程趨近於等溫壓縮，有效降低總壓縮功 $W_c$，提高循環淨功 $W_{\text{net}}$。

3. 再生（Regeneration / Recuperation）機制： 標準布雷頓循環中，渦輪排氣溫度（$T_{\text{exhaust}}$）往往高於高壓壓氣機出口溫度（$T_{\text{comp, exit}}$）。利用換熱器（再生器）將排氣廢熱傳遞給即將進入燃燒室的高壓空氣，提升進入燃燒室之空氣初溫，以減少燃料加入量 $Q_{\text{in}}$。熱效率定義為： $\eta_{\text{th}} = \frac{W_{\text{net}}}{Q_{\text{in}}}$ 在 $W_{\text{net}}$ 不變或微增下，大幅縮減 $Q_{\text{in}}$，從而顯著提高熱效率。

4. 兩者協同效應（Synergy）： 若單獨裝設中間冷卻器，會降低壓氣機出口空氣溫度，導致燃燒室需額外耗費燃料加熱，反而降低熱效率；但此特性恰好增大了壓氣機出口與渦輪排氣之間的溫差，使「中間冷卻」與「再生」結合時，再生器能回收更多的廢熱，發揮最佳熱效率改善綜效。

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解題方法

本題為國家考試輪機技術類科之經典申論與繪圖題，解答應切入兩大主軸：

1. 氣體流路圖繪製：

• 區分「空氣流路」與「燃氣流路」，清晰表達工作流體流經各組件之先後順序。
• 繪製雙段壓氣機（LPC、HPC）、中間冷卻器、再生器（冷側/熱側換熱關係）、燃燒室、渦輪機及負載（發電機或螺旋槳軸），並以箭頭正確標示氣流方向與換熱介質流向。

2. 裝設目的說明：

• 採「分項對稱列述」方式，分別針對「中間冷卻器」與「再生器」從熱力學原理、功量/熱量消長、機組效能影響三方面具體解析。
• 補充說明兩者「搭配使用之熱力互補綜效」，展現答題深度。

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選項分析

本題為申論與工程繪圖題，無選擇題選項。應試得分重點落在：

• 流路拓撲正確性：中間冷卻器必須串聯於 LPC 與 HPC 之間；再生器冷側必須連接 HPC 出口至燃燒室入口，熱側必須連接渦輪排氣至排氣管。
• 熱力原理解釋準確度：精準寫出「功量減少（壓縮功）」與「熱量回收（省燃油）」之對應關係，切忌將冷卻與再熱觀念混淆。

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解題技巧

1. 構圖口訣與檢查順序： 「進氣 $\to$ 低壓壓 $\to$ 中冷 $\to$ 高壓壓 $\to$ 再生冷側 $\to$ 燃燒室 $\to$ 渦輪 $\to$ 再生熱側 $\to$ 排氣」。 畫圖時先畫主軸線與核心四大旋轉元件，再掛上換熱管路，並用雙實線或對流箭頭表示再生器的冷熱流體交叉換熱。
2. 常見失分陷阱：

• 誤置中間冷卻器位置：誤將中間冷卻器畫在壓氣機進氣口（那是進氣冷卻器 Inlet Chiller，而非 Intercooler）或誤放在燃燒室前。
• 再生器接線反置：誤將渦輪排氣接入燃燒室，或將冷空氣直接排掉。再生器本質是「間接式換熱器」，空氣與燃氣不直接混合。
• 單獨評估之邏輯陷阱：回答目的時，不可泛稱中間冷卻器「必然提高效率」。必須強調中間冷卻器的直接目的是「減少壓縮功、增加淨功」；提高熱效率必須仰賴再生器之配合。

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【答案】

一、加裝再生器及中間冷卻器之燃氣渦輪機氣體流路圖

核心觀念 本題旨在評量考生對於船舶熱力發動機中「旋轉式葉輪動力機械」之熱力學基礎與實務特性的掌握程度。核心觀念涵蓋以下三大範疇：

1. 熱力循環基礎：

• 燃氣渦輪機（Gas Turbine, GT）以**布雷頓循環（Brayton Cycle）**為基準，包含等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹及等壓放熱。
• 蒸汽渦輪機（Steam Turbine, ST）以**朗肯循環（Rankine Cycle）**為基準，包含水泵等熵加壓、鍋爐等壓加熱蒸發、渦輪等熵膨脹及冷凝器等壓冷凝。

2. 工作流體與相態變化：

• 燃氣渦輪機：工作介質為空氣與燃燒生成氣（燃氣），全過程皆維持單相氣態（Single-phase gas）。
• 蒸汽渦輪機：工作介質為水及水蒸氣，於循環中經歷液態與氣態之顯著相變化（Phase change）。

3. 熱力學背功比（Back Work Ratio, $r_{\text{bw}}$）： 背功比定義為壓縮工作介質所需消耗之功與渦輪產生功之比值： $r_{\text{bw}} = \frac{w_{\text{in}}}{w_{\text{out}}}$ 式中 $w_{\text{in}}$ 為壓氣機功 $w_c$ 或給水泵功 $w_p$，$w_{\text{out}}$ 為渦輪輸出功 $w_t$。此指標直接決定了兩者在淨功輸出比率、結構配置與起動特性的差異。

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解題方法 本題為國家考試輪機工程標準申論題。解題關鍵在於**「由熱力學本質出發，向下推演至機械結構與船舶操作特性」**，切忌僅列舉外觀設備。破題與論述步驟如下：

1. 立論核心：先定義兩者遵循之熱力循環（Brayton vs. Rankine）與燃燒形式（內燃式 vs. 外燃式）。
2. 多維度對比開展：從「工作介質與相態」、「熱力系統與設備構成」、「壓縮功消耗與背功比」、「起動動態與操控反應」、「燃料品質適應性」、「倒俥（反轉）能力」等六大面向進行逐項論證。
3. 綜合彙整：輔以工程比較表，條理分明地呈現整體系統之優劣與船舶應用定位。

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選項分析 本題為申論問答題，無固定單選選項。針對考生答題時常混淆之「關鍵觀念對立維度」，剖析說明如下：

• 混淆點一：燃燒方式的認定
• 正確觀念：燃氣渦輪機為內燃式（Internal Combustion），燃料直接在壓氣機送來的壓縮空氣中燃燒，氣體直接衝擊葉片；蒸汽渦輪機為外燃式（External Combustion），燃料在鍋爐燃燒加熱爐水，燃燒產物不直接接觸渦輪葉片。
• 混淆點二：壓縮機構與功耗差異
• 正確觀念：燃氣渦輪機壓縮的是氣體，比容 $v$ 甚大，壓氣機功 $w_c = \int v \, dp$ 耗功極高（$r_{\text{bw}}$ 約 $40\% \sim 60\%$）；蒸汽渦輪機壓縮的是冷凝後的水，液體比容極小且近乎不可壓縮，給水泵功 $w_p = \int v \, dp$ 耗功微小（$r_{\text{bw}}$ 通常小於 $2\%$）。
• 混淆點三：倒俥（逆轉）之實現方式
• 正確觀念：燃氣渦輪機因軸流壓氣機氣流方向固定，本體絕對無法反轉，船舶倒俥必須仰賴可變螺距螺槳（CPP）、反轉齒輪箱或電力推進；蒸汽渦輪機則可在主機低壓缸內直接加裝倒俥渦輪（Astern Turbine），以切換進汽閥控制倒俥。

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解題技巧

1. 口訣記憶法：「環、質、燒、泵、動、油、轉」。

• 環：Brayton vs. Rankine
• 質：單相氣體 vs. 氣液相變
• 燒：內燃開式 vs. 外燃閉式
• 泵：壓氣機大耗功（高背功比） vs. 給水泵低耗功（低背功比）
• 動：起動加速極快 vs. 暖管暖機緩慢
• 油：需高品質輕油 vs. 劣質重油/煤/天然氣/核能皆可
• 轉：本體不可逆轉 vs. 可裝設倒俥渦輪

2. 閱卷給分盲點提醒：切勿花費過多篇幅在純文字敘述，閱卷老師在短時間內評閱時，最重視「專門術語（如：背功比、閉式/開式循環、相變化）」與「比較表格」。先提綱挈領作答，再附上結構完整的對照表，得分最高。

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【答案】

基於燃氣渦輪機（Gas Turbine）與蒸汽渦輪機（Steam Turbine）之熱力學工作原理及船舶推進實務，兩者之主要差異詳述如下：

一、 工作原理之本質差異

1. 熱力循環理論不同：

• 燃氣渦輪機：依循布雷頓循環（Brayton Cycle）。空氣經壓氣機絕熱壓縮後，進入燃燒室與燃油混合進行等壓加熱，產生之高溫高壓燃氣進入渦輪機絕熱膨脹作功，最後排入大氣完成等壓放熱（開式循環）。其淨功為： $w_{\text{net}} = w_t - w_c$
• 蒸汽渦輪機：依循朗肯循環（Rankine Cycle）。