115 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

船舶柴油主機的渦輪增壓機由渦輪、壓縮機、轉子軸及軸承組成，轉速極高。振動的核心原因，多半是轉子旋轉質量失衡，或是轉子支承與運轉條件異常。作答時可分成轉子本體、軸承潤滑、轉子與殼體接觸、主機運轉狀況四類說明。

解題方法

題目問「主要原因」，宜按故障機理分類作答，並交代各原因如何造成振動：

1. 轉子失衡：葉輪積垢、葉片損傷或異物撞擊，會使轉子質量分布不均。轉速愈高，離心力愈大，週期性地作用於轉子及軸承，引發振動。
2. 軸承或潤滑異常：軸承磨損、間隙過大、潤滑油壓不足或油質不良，會降低轉子的支承穩定性，使軸心偏移、振幅增加。
3. 轉子與固定件摩擦：轉子彎曲、軸承損壞、安裝偏心，或葉片與殼體間隙異常，都可能造成擦碰，產生振動及異常噪音。
4. 主機排氣脈動或運轉不均：各缸燃燒、負荷不均，或排氣通道狀況不良，會使渦輪受力與轉速波動，將振動傳至增壓機。

解題技巧

核心觀念

本題考查柴油機的工作循環與換氣方式。四行程柴油機以活塞的四個行程完成一個工作循環，曲軸轉兩轉作功一次；二行程柴油機以活塞的兩個行程完成一個工作循環，曲軸轉一轉作功一次。

兩者的主要差異在於進氣、排氣與燃燒作功如何安排，以及因此造成的功率、效率、結構和適用範圍差異。

解題方法

比較時可依序從「循環行程與作功頻率」、「換氣方式」、「構造與運轉特性」、「適用用途」切入。需特別注意，二行程機雖然每轉有一次作功機會，但實際輸出功率不會因此必然是同排氣量四行程機的兩倍，仍受掃氣、燃燒、轉速及機械效率等因素影響。

核心觀念

封閉式布雷登循環（Brayton cycle）是定壓燃氣渦輪循環的理想模型。工作流體在封閉系統內循環，依序經過壓縮、定壓加熱、膨脹作功與定壓放熱四個理想過程。題目重點是正確標示各狀態點、過程方向，以及在溫度－熵圖與壓力－容積圖上的線段形狀。

以下以理想氣體、定比熱，並假設壓縮器與渦輪內部可逆絕熱為基礎。

解題方法

先依循環方向標示狀態點：

1. 狀態 1：壓縮器入口
2. 狀態 2：壓縮器出口
3. 狀態 3：加熱器出口、渦輪入口
4. 狀態 4：渦輪出口

循環順序為 $1\to2\to3\to4\to1$。在 $T-s$ 圖上，等熵過程為垂直線，定壓加熱與放熱為斜曲線；在 $p-v$ 圖上，等壓過程為水平線，等熵壓縮與膨脹則分別呈向左上方及向右下方的曲線。

溫度－熵圖（$T-s$ 圖）

 T
 ↑
 │ 3
 │ ╱ │
 │ ╱ │
 │ 2 │
 │ │ 4
 │ │ ╱
 │ 1╱
 └────────────→ s

圖中各過程為：

• $1\to2$：等熵壓縮 壓縮器使工作流體壓力與溫度上升；理想可逆絕熱下熵不變，故 $s_1=s_2$，圖上為垂直向上。

• $2\to3$：定壓加熱 工作流體在高壓下吸收熱量，溫度與熵上升；$p_2=p_3$，圖上向右上方延伸。

• $3\to4$：等熵膨脹 工作流體在渦輪中膨脹並輸出功，壓力與溫度下降；理想可逆絕熱下 $s_3=s_4$，圖上為垂直向下。

核心觀念

衝動式渦輪的主要膨脹與壓力降發生在噴嘴中。高壓蒸汽在噴嘴內膨脹，壓力降低，焓轉換為動能，因此蒸汽速度增加。蒸汽進入動葉片後，理想情況下壓力近似不變；蒸汽改變流向並對動葉片作功，故其絕對速度降低。

解題方法與簡圖

沿蒸汽流動方向，分別標出噴嘴與動葉片，再比較各處的壓力與速度：