110 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

本題考查往復式發動機與渦輪噴射式發動機的熱力循環及主要構造。作答時要分清楚兩種發動機如何完成「進氣、壓縮、燃燒加熱、膨脹作功、排氣」等過程，以及工作流體的能量如何轉變為軸功或推力。

往復式發動機通常以汽缸內燃氣推動活塞，經連桿帶動曲軸輸出軸功；渦輪噴射式發動機則由燃氣渦輪帶動壓縮機，並利用高速排氣產生推力。

解題方法

依序從兩個角度比較：

1. 熱力循環過程：說明各階段的狀態變化及其理想循環。
2. 主要構造與能量傳遞：指出核心部件如何配合，並說明輸出功或推力的來源。

一、往復式發動機

熱力循環過程

航空往復式發動機常採用汽油燃料與火星塞點火，理想化時可用**奧圖循環（Otto cycle）**描述。以四行程發動機為例，曲軸轉兩圈完成一個工作循環：

1. 進氣行程：活塞由上死點向下死點移動，進氣閥開啟，混合氣進入汽缸。
2. 壓縮行程：活塞向上移動，進、排氣閥均關閉，混合氣被壓縮。理想循環中近似為等熵壓縮。
3. 燃燒與膨脹行程：活塞接近上死點時，火星塞點燃混合氣；理想奧圖循環將燃燒簡化為定容加熱。高溫高壓燃氣推動活塞向下作功，膨脹過程近似為等熵膨脹。
4. 排氣行程：排氣閥開啟，活塞向上移動，將燃燒後的廢氣排出汽缸。

實際發動機的進、排氣過程伴隨閥門開閉與氣體交換，並非完全符合理想奧圖循環；但理想循環可說明主要熱功轉換原理。

主要構造與能量傳遞

主要部件包括汽缸、活塞、連桿、曲軸、進氣閥、排氣閥、火星塞、燃油與點火系統，以及冷卻和潤滑系統。活塞的往復運動經連桿轉為曲軸旋轉，輸出軸功；若使用螺旋槳，曲軸再帶動螺旋槳，使空氣加速並產生推力。

二、渦輪噴射式發動機

熱力循環過程

核心觀念

本題考渦輪噴射發動機的動量推力與壓力推力。依一維、定常流動的推力方程式：

其中，$\dot m$ 為空氣質量流率，$V_e$ 為排氣速度，$V_0$ 為飛行或進氣速度，$A_e$ 為排出口面積，$p_e-p_0$ 為排出口與環境的壓力差。台灣航空工程常用英制單位形式時會出現重力換算常數 $g_c$；本題採 SI 單位，故 $g_c=1$，公式可寫成：

解題方法

先計算動量推力：

再計算壓力推力。題目給的是表壓，因此壓力差直接為：

核心觀念

本題比較三種渦輪發動機啟動器的動力來源、傳動方式，以及啟動期間的功能。啟動器提供轉矩，帶動發動機轉子達到足以引入燃油、點火並加速至自持轉速的轉速；各型式的差異主要在於如何產生與傳遞這股啟動轉矩。

• 啟動發電機（starter-generator）：啟動時由外部電源供電，作為電動機帶動發動機；發動機啟動後，則轉作發電機供電。
• 空氣渦輪啟動器（air turbine starter）：以壓縮空氣驅動小型渦輪，再經減速齒輪及離合機構帶動發動機。
• 電力馬達（electric motor）：以電能驅動電動馬達，經齒輪或其他傳動機構帶動發動機。

解題方法

依每種啟動器的工作原理，分別從兩個方向作答：

1. 優點：著重啟動效率、重量與安裝、維修便利性，以及能否兼作發電等。
2. 缺點：著重外部能源需求、系統複雜度、重量與散熱，或啟動能力受限等。

題目要求每種啟動器各列兩項優點與兩項缺點，作答時應使每項都能由其動力來源或工作方式直接說明。

三種啟動器比較

（一）啟動發電機（Starter-generator）

優點

1. 一機兼具啟動與發電功能：啟動時作為馬達，發動機運轉後轉作發電機，可減少另設啟動馬達所需的設備與安裝空間。
2. 啟動後可直接轉入供電用途：發動機達到適當轉速後，啟動發電機可供應機上電力，設備利用率較高。

缺點

1. 啟動時電流大，電源與配線要求高：需有足夠容量的電池或地面電源，且大電流會增加導線、接頭及控制設備的負荷。
2. 兼具兩種功能，構造與維修較複雜：馬達與發電機兩種工作狀態都須兼顧，故控制、冷卻及維修需求較高；啟動功能故障也可能影響發電設備的可用性。

核心觀念

本題考查渦槳發動機兩種渦輪配置，以及啟動時「螺旋槳是否與燃氣產生器機械連接」。

• 燃氣產生器（gas generator）：由壓縮機、燃燒室及帶動壓縮機的渦輪組成，負責建立高溫高壓燃氣。
• 固定式渦輪（fixed turbine，又稱固定軸式）：燃氣產生器渦輪與螺旋槳減速齒輪箱之間有機械軸系連接，啟動時螺旋槳會跟著轉。
• 自由式渦輪（free turbine，又稱自由動力渦輪）：帶動壓縮機的渦輪與帶動螺旋槳的動力渦輪分開；兩者沒有機械軸系連接，動力渦輪靠燃氣流帶動。

解題方法：先畫出軸系，再比較啟動負荷

判斷啟動難易，關鍵是看啟動機除了要帶動壓縮機，是否還必須帶動螺旋槳及減速齒輪箱。軸系連在一起，啟動時的轉動慣量與阻力較大；軸系分開，啟動機主要帶動燃氣產生器。

自由式渦輪構型

進氣 → 壓縮機 → 燃燒室 → 燃氣產生器渦輪 → 動力渦輪 → 排氣
 ↑ │ │
 └────同一軸系─────────────┘ │
 獨立軸
 ↓
 減速齒輪箱
 ↓
 螺旋槳

燃氣產生器渦輪帶動壓縮機；燃氣流通過燃氣產生器渦輪後，繼續推動獨立的動力渦輪。動力渦輪再經減速齒輪箱帶動螺旋槳。兩組轉子間以燃氣流傳遞能量，沒有直接機械連接。

固定式渦輪構型

進氣 → 壓縮機 → 燃燒室 → 渦輪
 ↑ │
 └────同一軸系───────┘
 │
 └──減速齒輪箱──→ 螺旋槳

核心觀念

本題考兩個重點：螺旋槳葉片旋轉時承受的結構力，以及定速螺旋槳調速器如何以轉速回饋控制槳葉角度。調速器的核心作用是感測轉速，透過控制槳葉角度改變螺旋槳吸收的功率，使轉速維持在駕駛員設定值。

解題方法

（一）螺旋槳承受的四種力量

1. 離心力（centrifugal force） 螺旋槳旋轉時，葉片受到向外的離心力，具有將葉片拉離槳轂的趨勢。其大小隨轉速平方增加，可概略表示為

因此轉速越高，葉根承受的拉應力越大。

2. 扭矩彎曲力（torque bending force） 葉片旋轉時，空氣阻力作用在葉片上，形成與旋轉方向相反的阻力矩，使葉片產生反向彎曲。

3. 推力彎曲力（thrust bending force） 螺旋槳產生的推力沿發動機軸線作用，飛機受推進而向前時，葉片承受向前彎曲的載荷。

4. 氣動扭轉力（aerodynamic twisting force） 葉片各處的氣動力作用位置與葉片旋轉軸線不重合，會產生扭轉力矩，通常使葉片趨向較大的槳葉角。

部分教材會把使槳葉趨向細槳角的離心扭轉力另列一項，因此列成五種。題目要求四種時，列出上述四項，並將扭轉作用以氣動扭轉力說明即可。

（二）調速器目的與超速時的作動

**目的：**螺旋槳調速器（propeller governor）維持駕駛員選定的螺旋槳轉速。當發動機功率、飛行速度或螺旋槳負載改變而使轉速偏離設定值時，調速器控制油路，帶動槳葉變距；