109 民航特考三等 適航檢查 民用航空器及發動機系統 考古題詳解

核心觀念

本題考往復式發動機在高空的增壓，以及機械增壓器（supercharger）與渦輪增壓器（turbocharger）的動力來源和結構差異。

飛行高度增加時，大氣壓力與空氣密度降低。自然進氣發動機每一循環吸入汽缸的空氣質量減少，能燃燒的燃油量也隨之減少，因此可用功率下降。增壓的目的，是提高進入汽缸的空氣壓力與密度，使汽缸能吸入較多空氣，配合適量燃油燃燒，以維持高空功率。

解題方法

作答時先交代高空性能下降的原因，再比較兩種增壓器「由誰帶動」，最後說明它們共同的增壓原理：

1. 高空空氣稀薄，自然進氣汽缸充氣量減少，功率下降。
2. supercharger 由發動機機械傳動帶動；turbocharger 由排氣氣流帶動渦輪，再帶動壓縮機。
3. 兩者都以壓縮機提高進氣歧管內的進氣壓力與密度，增加汽缸充氣量，維持較高的燃燒功率。

結構差異與示意圖

**Supercharger（機械增壓器）**由發動機曲軸經齒輪、皮帶或其他機械傳動裝置帶動壓縮機。它直接消耗發動機輸出的部分功率，因此會有機械驅動損失。

 機械傳動
發動機曲軸 ───────────────────────► 壓縮機
 │
外界空氣 ──────────────────────────►│
 ▼
 高壓進氣歧管
 │
 ▼
 汽缸

**Turbocharger（渦輪增壓器）**主要由排氣渦輪與進氣壓縮機組成，兩者裝在同一根軸上。發動機排氣流經渦輪，使渦輪轉動；同軸的壓縮機因而壓縮進氣。

核心觀念

本題考螺旋槳法蘭環狀螺栓的分段上緊與對角交叉鎖緊。分段上緊可逐步使法蘭受力均勻；對角交叉順序則可減少單側先鎖緊造成的偏斜與局部應力。

圖中扭力標示為 $100^{+25}_{-0}\ \mathrm{ft\!-\!lbf}$，表示規定扭力範圍為 $100$ 至 $125\ \mathrm{ft\!-\!lbf}$。

解題方法

使用校正合格的扭力扳手，依指定扭力分三輪逐步鎖緊。各輪都採用圖 A 的交叉順序：

1. 第一輪：以最終目標扭力約三分之一，依序鎖緊 1 至 8 號螺栓。
2. 第二輪：以最終目標扭力約三分之二，再依相同順序鎖緊。
3. 第三輪：達到規定最終扭力，依相同順序完成鎖緊。

以 $100\ \mathrm{ft\!-\!lbf}$ 作為最終名目目標時，前兩輪約為 $33$、$67\ \mathrm{ft\!-\!lbf}$；

核心觀念

本題考查渦輪葉片在高溫、高轉速與燃氣環境中長時間運轉時，主要的結構劣化機制。典型三類為：

1. 潛變（creep）
2. 疲勞（fatigue）
3. 高溫腐蝕／氧化（high-temperature corrosion/oxidation）

三者可能同時作用並互相加速。潛變與疲勞主要是受力造成的機械性損傷；高溫腐蝕／氧化則是材料與高溫燃氣環境作用的結果。

解題方法

先從渦輪葉片的服役條件切入：葉片承受高速旋轉產生的離心拉力、燃氣造成的氣動力與振動，以及高溫燃氣和反覆的溫度變化。接著將這些條件分別對應到時間累積變形、反覆受力破壞及高溫環境侵蝕三種機制，並說明各自的破壞原因。

（一）三類破壞模式

1. 潛變

葉片長時間處於高溫並承受持續應力時，材料會隨時間逐漸產生永久變形；若變形或內部損傷持續累積，最終可能形成潛變破裂。

2. 疲勞

葉片承受反覆或交變應力，經多次循環後產生裂紋並逐步擴展，最後可能斷裂。依主要載荷特性可分為低週疲勞、高週疲勞及熱機疲勞等。

3. 高溫腐蝕／氧化

葉片表面與高溫燃氣中的氧化性或腐蝕性成分長期作用，形成氧化或腐蝕損傷，造成材料消耗、表面劣化與有效截面減少。

（二）三類破壞發生的原因

1. 潛變的原因

渦輪葉片處於高溫環境，同時承受旋轉產生的離心應力及燃氣負載。高溫會降低材料抵抗永久變形的能力；在持續應力作用下，材料內部的變形與損傷隨時間累積，造成葉片伸長、扭曲或局部變形。若潛變損傷繼續發展，可能導致潛變破裂。超溫、超轉或冷卻效能下降，均會提高潛變風險。

2. 疲勞的原因

核心觀念

本題考查複合材料螺旋槳葉片相較於金屬葉片的性能優點，以及材料特性如何帶來這些優點。作答時應以「重量、疲勞與耐久、氣動效率、耐腐蝕、維修」為主軸，並將每項優點連結到其材料或結構原因。

複合材料通常由纖維補強材（如碳纖維或玻璃纖維）與樹脂基材組成。纖維方向可依葉片受力需求配置，讓葉片在需要的方向具有較高強度與剛性；葉片根部、前緣等局部也可採不同鋪層或補強設計。

解題方法

先由螺旋槳葉片的主要負荷切入：葉片旋轉時承受離心力、彎曲與扭轉負荷，並受到振動、反覆應力及環境侵蝕。再逐項說明複合材料的特性如何改善這些問題：

1. 重量較輕：複合材料具有高比強度與高比剛性，可在符合強度需求下減少葉片質量。
2. 疲勞與振動性能較佳：纖維鋪層可依主要受力方向設計，且複合材料具有一定的阻尼能力，有助降低振動與反覆應力造成的疲勞損傷。
3. 氣動效率較佳：複合材料可製成較薄、較精確或具扭轉彈性設計的葉片，使葉片在不同負荷下維持合宜形狀與迎角。
4. 耐腐蝕性較佳：複合材料不像金屬會產生一般性的金屬腐蝕，適合長期暴露於潮濕或鹽分環境。
5. 損傷可局部修復：部分複合材料葉片可採貼補或局部修復方式處理特定損傷，減少整片更換需求；實際可修範圍仍須依製造商維修手冊及適航要求判定。

優點及原因

一、減輕重量，降低旋轉慣性與結構負荷

複合材料的比強度與比剛性高，能以較低重量達到所需的強度與剛性。葉片減重可降低旋轉慣性，減輕螺旋槳與相關傳動結構的負荷，也有利於飛機整體重量控制。