108 高普考高考三級 航空器維修 航空發動機基本原理 考古題詳解

核心觀念

渦輪噴射發動機（turbojet）是以渦輪機帶動壓縮器，將空氣壓縮後與燃油燃燒，再使高溫燃氣通過渦輪並由尾管高速排出，以產生推力的燃氣渦輪發動機。其推力主要來自排氣速度增加所造成的動量變化；渦輪從燃氣中取出部分能量，供壓縮器及附件使用。

解題方法

本題要求列舉特性，作答時可從「推力來源、結構、適用速度與高度、油耗、噪音」等面向整理，並各以一句話說明。以下五點可直接作為答題內容：

1. **推力主要由排氣噴流產生：**渦輪帶動壓縮器所需的能量取自燃氣；燃氣離開渦輪後，經尾管加速排出，靠高速噴流產生推力。渦輪噴射發動機的推力可用動量關係概念表示為 $F \approx \dot{m}(V_e-V_0)$ 其中 $\dot{m}$ 為排氣質量流率，$V_e$ 為噴流速度，$V_0$ 為飛行速度；忽略壓力推力及燃油質量等較小項目。

核心觀念

布萊頓（Brayton）循環是理想氣體渦輪發動機的基本理想循環，由兩個等熵過程與兩個定壓過程組成：

• $1\to2$：等熵壓縮，空氣在壓縮機內升壓、升溫。
• $2\to3$：定壓吸熱，燃燒室加入熱量。
• $3\to4$：等熵膨脹，燃氣在渦輪內膨脹、作功。
• $4\to1$：定壓放熱，工作流體排熱並回到初態。

熱效率定義為循環淨功與輸入熱量之比：

以下假設工作流體為定比熱理想氣體，且壓縮與膨脹均為可逆絕熱過程。

解題方法與推導

令比熱比 $\gamma=c_p/c_v$，並以狀態 $1、2、3、4$ 標示循環各點。定壓過程的熱量可由焓變表示：

因此熱效率為：

接著利用兩段等熵過程的溫度、壓力關係：

在理想布萊頓循環中，$2\to3$ 與 $4\to1$ 為定壓過程，因此 $p_2=p_3$、$p_1=p_4$。令壓力比 $r_p=p_2/p_1$，則：

核心觀念

壓縮器失速（compressor stall）是壓縮器葉片附近的氣流因入射角過大、流量不足或氣流畸變而分離，造成部分葉片失去穩定作功；若失速擴大，可能發展成壓縮器喘振（surge），出現大幅壓力與流量振盪，嚴重時甚至發生氣流逆流。

本題考的是維持壓縮器穩定工作、避免操作點接近失速／喘振界線的方法。核心做法是配合不同轉速與工況，調整氣流方向、壓縮器流量、燃油供應與轉子運轉特性。

解題方法

題目要求列舉五項，作答時可依「調整氣流幾何、排出多餘空氣、控制燃油與轉速、改善進氣」分類，並說明各方法如何增加失速裕度。常見標準作法如下：

1. 可變入口導葉（Variable Inlet Guide Vanes, VIGV） 隨轉速改變入口導葉角度，使進入第一級轉子葉片的氣流方向符合其周速與軸向速度，減少葉片入射角過大與氣流分離。

2. 可變定子葉片（Variable Stator Vanes, VSV） 改變各級定子葉片角度，重新導引氣流，使後續轉子在不同轉速下仍能以適當角度受流，避免前後級流量與壓力匹配不良。VIGV 可視為入口端可調導葉，與多級 VSV 合併作答時，須清楚指出兩者調整位置不同。

3. 壓縮器放氣閥／中間級放氣（Compressor Bleed or Handling Bleed Valves） 在低轉速、起動或加速等易失速工況，將部分中間級空氣排出或導入旁通流道，降低後級背壓並改善各級流量匹配；

核心觀念

發動機趨勢監控（Engine Condition Trend Monitoring）會在相近的飛行條件與推力設定下，追蹤渦輪溫度、核心轉速 $N2$ 與燃油流量 $Wf$ 相對基準值的變化。題目所稱三者「趨勢逐漸提高」，重點是判斷發動機為維持相同輸出，是否需要更高的核心轉速與燃油流量，並伴隨更高的渦輪溫度。

這種組合通常表示發動機氣流路徑或燃燒效率逐漸劣化。不過，趨勢判讀須以相近的高度、馬赫數、環境溫度、推力設定及引氣狀態為前提；若操作條件不同，參數上升不能直接視為發動機故障。

解題方法

先把三項參數合併判讀：在要求輸出相近時，$N2$ 與 $Wf$ 都逐漸增加，代表發動機需要更高核心轉速及更多燃油來維持性能；渦輪溫度也升高，則顯示較多燃燒能量轉為熱負荷，或發動機內部效率下降。依此列出會造成性能衰退、氣流或燃油控制異常的典型原因。

可能原因

1. 壓縮器污染或積垢：葉片表面污損會降低壓縮器效率及進氣流量。為維持所需推力，發動機需要增加轉速與燃油，渦輪溫度也會上升。

核心觀念

燃油控制單元（Fuel Control Unit, FCU）的核心任務，是依飛行員要求的推力及發動機當下的運轉狀況，調節送入燃燒室的燃油量。FCU 會控制燃油計量，並限制燃油增加速率，避免燃油供應超出壓縮器供氣能力，造成壓縮器失速、燃燒不穩或渦輪溫度過高。

渦輪噴射發動機的燃油系統，可按功能理解為一條供油路徑：燃油由飛機供油系統送入發動機，經泵浦加壓、濾清及 FCU 計量，再由分流與歧管送到燃油噴嘴，噴入燃燒室。

（一）FCU 的功能與重要訊號

FCU 的功能

FCU 依飛行員的油門設定及發動機工況，將適當流量、壓力的燃油送往燃燒室。其主要功能包括：

• 計量燃油流量：依推力需求調整供油量，使發動機產生相應推力。
• 維持適當燃油與空氣配合：依進氣及壓縮器狀態限制供油，避免燃油過多。
• 控制加減速供油：限制燃油流量變化速度，降低加速過程中壓縮器失速或渦輪超溫的風險。
• 支援起動與停車控制：配合起動程序供油，並在停車時切斷燃油。
• 維持轉速與安全限制：依發動機轉速及其他參數調節燃油，避免超速或超溫。

FCU 接收的重要訊號（列舉五項）

不同型式的發動機，其感測器與控制方式有所不同；傳統液壓機械式 FCU 常用的重要訊號包括：

1. 油門桿位置：代表飛行員要求的推力或功率。
2. 發動機轉速：例如高壓轉子轉速 $N_2$；部分系統也使用低壓轉子轉速 $N_1$。
3. 壓縮器入口壓力：反映進氣壓力及環境狀況。
4. 壓縮器入口溫度：反映進氣溫度，影響空氣密度與可供燃燒的空氣量。
5. 壓縮器出口壓力：反映壓縮器供氣狀況，供 FCU 作燃油計量及加速限制之用。

其他發動機設計也可能採用燃燒室壓力、渦輪溫度或電子控制訊號；但列舉五項時，以上五項足以說明 FCU 依「推力要求、轉速、進氣條件及壓縮器狀態」調整燃油的原理。

（二）渦輪噴射發動機主燃油系統的組件

主燃油系統的基本組件可依燃油流向說明如下：