113 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

複合循環（Composite cycle），又稱雙重循環（Dual cycle）或混合循環，是奧圖循環與柴油循環的組合，用來理想化描述柴油機燃燒：燃料燃燒初期近似定容加熱，後續則近似定壓加熱。

本題的關鍵是辨認循環各過程，以及區分壓縮比與停油比。以下採用狀態點 1、2、3、4、5 表示循環，忽略進排氣過程。

解題方法

先以定容過程畫垂直線、定壓過程畫水平線，再以絕熱（等熵）壓縮與膨脹曲線連接各狀態點。循環方向為 1→2→3→4→5→1。

壓力 P
 ↑
 │ 3 ───────→ 4
 │ ↑ ╲
 │ │ ╲
 │ 2 ╲
 │ ╲ ╲
 │ ╲ 5
 │ ╲ ↓
 │ ╲───────────────
 └──────────────────────────────→ 容積 V
 1

示意圖中 1→2 為壓縮；2→3 垂直上升，表示定容加熱；3→4 水平向右，表示定壓加熱；4→5 為膨脹；5→1 垂直下降，表示定容放熱。各曲線形狀為示意，非依比例繪製。

循環運作過程

1. 1→2：等熵壓縮 活塞壓縮氣體，容積減小，壓力與溫度上升；理想空氣標準循環視為可逆絕熱（等熵）過程。

2. 2→3：定容加熱 燃燒初期在活塞位移很小時迅速放熱，近似容積不變，壓力與溫度上升。此段相當於奧圖循環的定容加熱。

3. 3→4：定壓加熱 燃燒持續進行，活塞開始下行，容積增加；理想化為壓力不變的加熱過程。此段相當於柴油循環的定壓加熱。

核心觀念

本題考大型船舶二行程柴油主機的操控位置配置，以及各位置在正常航行、機艙操作與緊急狀況下的分工。典型的主機操控位置有三處：機旁、機艙控制室（集控室）、駕駛台。

機旁是主機本體附近的就地操作位置；集控室與駕駛台則透過主機遙控系統遠距操縱。實際設備配置會因船型與主機控制系統而有差異，但此題應掌握上述三處及其基本功能。

解題方法

作答時依操控距離由近至遠排列，再分別說明各處的操作方式與主要用途：

1. 機旁：就地直接操作主機。
2. 集控室：由輪機人員集中監視、操作主機。
3. 駕駛台：由駕駛人員依航行需求遙控主機。

如此能清楚區分「直接操作」與「遙控操作」，並交代各位置的使用情境。

各位置與功能

一、機旁操控位置（主機旁）

設於主機本體附近，供輪機人員就地操作。可進行主機起動、停車、換向及轉速、負荷調整等操作；亦可觀察主機運轉狀況，配合檢查或維修。

當遙控系統故障、進行主機試俥或需要就近處理時，機旁操控尤為重要。其特點是操作人員在主機現場，能直接確認機械狀態。

二、機艙控制室操控位置（集控室）

核心觀念

本題考查船舶推進用燃氣渦輪機的操作控制系統與保護裝置各自負責什麼，以及兩者如何配合。操作系統讓機組依照駕駛台或機艙的命令啟動、調速、調整負載及停機；保護裝置則監測異常狀況，在超出安全界限時發出警報、限制輸出或切斷燃油，使機組安全降載或停機。

燃氣渦輪機常以燃氣發生器轉速、動力渦輪轉速、渦輪入口或排氣溫度等參數作為控制與保護依據。船舶推進系統還須配合減速齒輪、軸系及可調螺距螺槳等設備，因此控制系統也要處理推進命令與機組負載間的協調。

解題方法

作答時，先將題目分成「操作」與「保護」兩部分，再按功能列舉。操作部分可依啟動、負載／轉速控制、監視、停機與操縱位置切換來整理；保護部分則依超速、超溫、潤滑油異常、燃燒異常、振動及起動失敗等故障情況整理。每項應簡述「監測什麼」及「採取什麼動作」，答案便能兼顧功能與安全目的。

操作系統之主要功能

1. 起動控制 依規定程序執行起動，包括檢查起動許可條件、驅動起動機、建立適當轉速、點火及供油，並確認火焰建立、轉速上升及各項參數正常。起動條件未滿足或點火失敗時，控制系統應中止起動程序並發出警報。

2. 轉速與輸出控制 接收駕駛台或機艙的推進命令，調節燃油供應，使燃氣發生器及動力渦輪維持所需轉速與輸出。加速、減速及負載變化須受控制，避免燃油變化過快造成喘振、超溫或轉速異常。

3. 推進操縱與負載協調 配合齒輪箱、離合器或可調螺距螺槳等推進設備，協調主機輸出與螺槳負載，使船舶能按命令變更推進力與航速。若有多部燃氣渦輪機或不同功率機組，控制系統也可按設計配置進行機組選擇及負載分配。

4. 監視與警報 持續顯示並監測重要運轉參數，例如轉速、排氣溫度、燃油壓力、潤滑油壓力、振動及火焰狀態。參數達警報界限時通知操作人員，以便處置。

5. 停機與操作位置切換 執行正常停機程序，並提供緊急停機操作。依船舶配置，可在駕駛台、機艙控制站或機組旁操作，並提供控制權切換與必要的狀態指示。

保護裝置之主要功能

核心觀念

本題考查衝動式渦輪的動葉速度三角形，以及動葉在理想速度下的進、出口速度關係。衝動式渦輪的蒸汽主要在噴嘴中膨脹加速；理想情況下，蒸汽流經動葉時相對速度大小不變，動葉藉由改變蒸汽的切向速度分量取得功。

以下採用常見的角度定義：噴嘴出口絕對汽速 $V_1$ 與動葉運動方向的夾角為 $\alpha$。各速度定義如下：

• $U$：動葉圓周速度，方向沿動葉運動方向。
• $V_1$、$V_2$：蒸汽進入、離開動葉時的絕對汽速。
• $W_1$、$W_2$：蒸汽進入、離開動葉時相對於動葉的速度。
• 速度向量關係：$\vec V=\vec U+\vec W$。

解題方法與速度圖

先以動葉運動方向作為水平切向，將入口絕對汽速分解為切向分量與軸向分量：

入口相對汽速為：

理想動葉無相對速度損失，故 $W_2=W_1$；若動葉進、出口形狀對稱，出口相對汽速的軸向分量不變、切向分量反向。出口絕對汽速則由 $\vec V_2=\vec U+\vec W_2$ 得得。

 軸向
 ↑
 │ V₁
 │ ↗
 │ ↗ W₁
 │ ↗
 O────→────────────→ 切向／動葉運動方向
 U

理想速度時的出口三角形（與入口合併表示）：

 軸向
 ↑
 V₂ │
 ↑ │
 │ │
 W₂ │ │ W₁
 ↖ │ │ ↗
 \ │ │ /
 \ │ │ /
 ───────────O───┴────────────→ 切向
 └──→ U

圖中各向量須按速度向量關係首尾相接判讀：入口是 $\vec V_1=\vec U+\vec W_1$；出口是 $\vec V_2=\vec U+\vec W_2$。理想速度時，出口絕對汽速 $V_2$ 垂直於切向，亦即其切向分量為零。

理想速度條件與推導