110 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

本題考查蒸汽在衝動式與反動式渦輪中的膨脹位置、壓力與速度變化，以及轉矩產生原理。辨別兩者的關鍵，是看蒸汽的壓力降主要發生在固定噴嘴，還是同時發生在固定葉片與轉動葉片中。

解題方法

沿蒸汽流動方向，依序比較固定葉片與轉動葉片中的壓力、速度變化，再用動量變化說明轉子如何獲得轉矩。

（一）流體流動方式及壓力、速度變化

衝動式渦輪

高壓蒸汽先流經固定噴嘴，在噴嘴內膨脹，壓力下降、速度上升，並以高速射流進入轉動葉片。轉動葉片主要負責改變蒸汽流向，使蒸汽的切向速度分量降低；蒸汽將動量傳給葉片，帶動轉子旋轉。

在理想衝動級中，蒸汽在轉動葉片內的壓力近似不變，主要變化是流向與速度；實際機組則可能因摩擦、洩漏及葉片通道效應而有少量壓力損失。蒸汽離開轉動葉片時，其絕對速度通常低於進入時的速度。

流動特徵：壓力降集中於固定噴嘴，轉動葉片主要利用高速蒸汽改變動量。

反動式渦輪

蒸汽先經固定葉片，壓力降低並加速；進入轉動葉片後，蒸汽仍繼續膨脹，壓力再下降。因此，固定葉片與轉動葉片都具有噴嘴作用。

蒸汽在轉動葉片內膨脹時，蒸汽相對於轉動葉片的速度增加；同時蒸汽流向改變，將動量傳給葉片。蒸汽離開轉動葉片後，其絕對速度如何變化，須視葉片設計及轉速而定，不能一概說必然增加或降低。

核心觀念

選擇性觸媒還原法（SCR）是以氨（$NH_3$）作為還原劑，在觸媒作用下，讓柴油引擎廢氣中的氮氧化物（$NO_x$，主要為 $NO$，亦含 $NO_2$）轉化為氮氣與水。它的關鍵在於「選擇性」：還原劑優先與 $NO_x$ 反應，而非大量消耗於廢氣中的氧氣。

船舶 SCR 的管路配置，依反應器位於渦輪增壓器前或後，分為高壓式與低壓式。此處的「高壓」與「低壓」是指廢氣所在位置的壓力，並非還原劑供應壓力。

管路佈置方式

高壓式 SCR（HP-SCR）：反應器裝在主機排氣歧管與渦輪增壓器渦輪端之間，廢氣經反應器及觸媒後，再進入渦輪。此處排氣溫度通常較高，有利觸媒反應；但反應器會增加渦輪前的排氣阻力，管路配置與主機、渦輪增壓器的配合須一併考量。

低壓式 SCR（LP-SCR）：反應器裝在渦輪增壓器渦輪端之後，廢氣離開渦輪後流經反應器，再通往排氣鍋爐或煙囪。配置較有彈性，但渦輪後排氣溫度較低，必須確保觸媒能在適當溫度下運作；部分系統因而須配合燃料硫含量與排氣溫度條件。

兩種配置的共同流程為：排氣管路設置還原劑噴射裝置，使還原劑與廢氣混合，再流經 SCR 反應器中的觸媒層，最後排出處理後的廢氣。實際管路亦依主機與系統設計設置控制閥、旁通管路及必要的溫度、壓力監測裝置。

降低 $NO_x$ 排放的原理

船用系統常以尿素水溶液作為還原劑。尿素噴入高溫廢氣後，水分蒸發，尿素熱分解並進一步水解，生成氨：

核心觀念

本題考查船舶在強風高浪中航行時，海況如何改變螺槳負荷，並進一步影響柴油主機及推進軸系。

船舶縱搖、橫搖或艉部升沉時，螺槳可能間歇露出水面，造成螺槳負荷突然減輕；重新浸入水中時，負荷又迅速增加。主機若仍維持高轉速，會承受反覆而劇烈的負荷變化，並可能發生螺槳飛車（propeller racing）、轉速驟升及扭轉振動。

解題方法

以「螺槳負荷變化」為切入點，依序說明其對主機、軸系及輔機的影響。未適當降速時，主要危害如下：

1. 螺槳飛車與超速 螺槳露出水面或部分失去浸水時，水阻和螺槳扭矩需求突然下降，主機轉速因而驟升；螺槳重新入水後，負荷又突然增加。反覆的轉速及負荷變化會使調速器與燃油控制頻繁動作，增加主機運轉不穩及超速風險。

2. 軸系承受交變扭矩與振動 螺槳負荷忽高忽低，使曲軸、推力軸、中間軸、螺槳軸及聯軸器承受交變扭矩與振動。長時間或劇烈作用可能造成螺栓鬆動、聯軸器或軸系裂損，嚴重時可導致軸系破壞。

核心觀念

本題考查簡單封閉式布雷登循環（Brayton cycle）的能量收支。忽略動能、位能變化，並以每公斤工質為基準：

• 壓縮機輸入功：$w_c=h_2-h_1$
• 燃燒器傳入熱：$q_{in}=h_3-h_2$
• 燃氣渦輪機輸出功：$w_t=h_3-h_4$
• 冷卻器排出熱：$q_{out}=h_4-h_1$
• 回功比：$r_b=\dfrac{w_c}{w_t}$
• 熱效率：$\eta_{th}=\dfrac{w_{net}}{q_{in}}=\dfrac{w_t-w_c}{q_{in}}=1-\dfrac{q_{out}}{q_{in}}$

其中狀態 1、2、3、4 依序為壓縮機入口、壓縮機出口、渦輪入口、渦輪出口。題目提供的焓值單位為 $\mathrm{kJ/kg}$，因此計算出的功與熱皆為每公斤工質的能量。

解題方法

先依各設備的入口與出口焓差計算功和熱，再用淨輸出功計算回功比與熱效率。

（一）壓縮機輸入功

壓縮機使工質焓值上升，所需輸入功為出口焓減入口焓：

（二）燃燒器所傳入的熱

燃燒器中工質焓值由 $h_2$ 升至 $h_3$：

（三）燃氣渦輪機輸出功

工質通過渦輪後焓值下降，焓降轉為渦輪輸出功：

（四）冷卻器所排出的熱

冷卻器使工質焓值由 $h_4$ 降至 $h_1$，排熱量為：

核心觀念

混合式蒸汽渦輪機是指在同一部渦輪機中，將衝動式葉片級與反動式葉片級組合使用的汽輪機。它的設計重點，是依蒸汽在各級中的膨脹與作功需求，配置不同作用原理的葉片級，以兼顧衝動式的結構簡單、反動式的膨脹利用與效率。

作用原理

蒸汽由鍋爐進入渦輪機後，依序流經固定噴嘴（或固定葉片）與轉動葉片。蒸汽的壓力能轉為速度能，再由轉子將蒸汽的動量變化轉為軸功，帶動螺旋槳或發電機。

衝動式級的主要膨脹發生在固定噴嘴內。蒸汽通過噴嘴時壓力下降、速度增加；進入轉動葉片後，壓力大致不變，蒸汽因流向及速度改變而對葉片作功，推動轉子旋轉。

反動式級則在固定葉片與轉動葉片中都發生膨脹。蒸汽流經轉動葉片時，壓力下降並加速；蒸汽對葉片的推力除了來自速度與方向的改變，也來自轉動葉片內的膨脹反作用，因此轉子獲得軸功。

混合式渦輪機將兩種級串聯配置，蒸汽在不同部位分別以衝動及反動方式作功。實際配置依機型而定，常見作法是高壓段採衝動式級，後續低壓段採反動式級；也可在同一段內交錯安排不同形式的級。

解題方法