112 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

本題考查重型柴油主機的壓縮空氣起動系統，以及換向主機如何依照正俥（Ahead）或倒俥（Astern）指令，選擇正確的起動時序。

起動時，壓縮空氣經起動總管送至各缸起動閥；起動分配器則依主機曲軸位置，逐缸送出控制空氣，使相應氣缸的起動閥在適當時刻開啟。進入氣缸的高壓空氣推動活塞，使曲軸朝指定方向轉動。主機達到足以自行運轉的轉速後，起動空氣切斷，改由燃油燃燒維持運轉。

解題方法

回答時可分成兩條路徑說明：

1. 主起動空氣路徑：說明壓縮空氣如何由空氣瓶送至氣缸起動閥。
2. 控制與配氣路徑：說明正、倒俥指令如何選擇分配器時序，再依曲軸位置逐缸開啟起動閥。

如此可清楚區分「供應起動力的主空氣」與「控制各缸何時開閥的控制空氣」。

起動空氣裝置的主要組成

• 起動空氣壓縮機：壓縮空氣，供起動空氣系統使用。
• 冷卻器與油水分離器：冷卻壓縮空氣並分離水分、油分，減少管路腐蝕及起動閥故障。
• 起動空氣瓶（空氣槽）：儲存高壓起動空氣，瓶上設有壓力表、安全閥及排水裝置。
• 止回閥、隔離閥及主起動閥：防止空氣倒流，供系統隔離，並依起動指令控制空氣瓶至主機起動總管的供氣。
• 起動空氣總管與各缸支管：將高壓空氣分送至各缸起動閥。
• 各缸起動閥：裝於汽缸蓋，由控制空氣操作；開啟時將總管中的高壓空氣導入氣缸。
• 起動空氣分配器：依曲軸位置及選定的正俥或倒俥時序，將控制空氣依序送至各缸起動閥。
• 操縱及換向機構：接收起動、停止、正俥或倒俥指令，操作主起動閥並設定分配器的方向與時序。
• 安全連鎖裝置：例如車鐘與換向位置連鎖、盤車機連鎖等，避免在條件不符時誤送起動空氣。

如何確保正、倒俥時各缸依序供氣

核心觀念

本題考理想鄂圖循環（Otto cycle）的熱效率，以及如何用各狀態的能量變化求循環淨功。循環包含兩段等熵過程與兩段定容過程：

• $1\to2$：等熵壓縮
• $2\to3$：定容吸熱
• $3\to4$：等熵膨脹
• $4\to1$：定容放熱

壓縮比定義為 $r=V_1/V_2$。令比熱比 $\gamma=c_p/c_v$，則理想鄂圖循環熱效率為

解題方法

定容過程的熱量變化為 $q=c_v\Delta T$。因此，循環吸熱量與放熱量分別為

熱效率定義為淨功除以吸熱量，也可寫成

等熵關係 $TV^{\gamma-1}=\text{常數}$ 給出

設 $a=r^{\gamma-1}$，則 $T_2=aT_1$、$T_4=T_3/a$。代入熱效率式：

因此，循環熱效率與壓縮比的關係為

核心觀念

本題考燃氣渦輪機的安全保護跳脫（trip）：當轉速、潤滑、燃燒或溫度等狀態超出安全範圍，保護裝置會發出跳脫訊號，迅速關閉燃油切斷閥，使燃燒停止，避免渦輪機超速、過熱、軸承損壞或燃燒室積油引發事故。

保護裝置通常由感測元件、跳脫控制迴路及燃油切斷閥組成。各型機的設定值依製造廠規範而定；考題重點在於說明觸發原因及保護目的，無須臆列固定數值。

解題方法

依可能危害燃氣渦輪機的狀態分類，逐項說明「監測什麼、異常時會造成什麼危害、跳脫如何保護機組」。答題時可涵蓋轉速、潤滑、燃燒、排氣溫度、振動及人工緊急停機等項目。

安全保護裝置及功能

1. 超速跳脫裝置 由轉速感測器或機械式超速裝置監測轉子轉速。當轉速超過允許上限時，立即切斷燃油，防止轉子、葉片及傳動部件承受過大離心力而損壞。

2. 低潤滑油壓力跳脫裝置 監測潤滑油系統壓力。油壓過低時，軸承油膜可能不足，造成軸承過熱、磨損甚至咬死，因此跳脫停機以避免嚴重機械損壞。

核心觀念

朗肯循環是蒸汽渦輪機的理想蒸汽動力循環，由鍋爐、蒸汽渦輪機、冷凝器及給水泵四個主要裝置構成。工作流體通常是水；在四個裝置中依序經歷加熱汽化、膨脹作功、冷凝及加壓，形成封閉循環。

理想朗肯循環可用四個狀態變化表示：

• **泵入口至泵出口：**理想絕熱可逆壓縮，液態水壓力升高，溫度略升。
• **鍋爐出口至渦輪機入口：**定壓加熱，液態水升溫、汽化成蒸汽；若為過熱朗肯循環，蒸汽還會再升溫。
• **渦輪機入口至出口：**理想絕熱可逆膨脹，蒸汽壓力與溫度下降，並可能部分凝結成濕蒸汽。
• **冷凝器入口至出口：**定壓冷卻放熱，蒸汽凝結成液態水。

解題方法

先沿工作流體流動方向畫出四個主要裝置，再逐段標出壓力、溫度與相態變化。此題的重點是掌握：鍋爐與冷凝器各自近似定壓；渦輪機與給水泵在理想循環中近似等熵；泵處理液體、渦輪機處理蒸汽。

循環系統圖

 高壓、高溫蒸汽
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 │ 鍋爐 │────────────▶│ 蒸汽渦輪機│
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 │ │ 低壓蒸汽／濕蒸汽
 │ ▼
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 │給水泵 │◀────────────│冷凝器 │
 └────────┘ 凝結水 └────────┘

圖中流程為：給水泵 → 鍋爐 → 蒸汽渦輪機 → 冷凝器 → 給水泵。渦輪機輸出軸功，冷凝器排出循環中吸收的部分熱量。

各裝置中的狀態變化