113 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 ARP 755A 渦輪發動機氣流站位，以及發動機內部溫度、壓力、速度沿氣流方向的變化。

依圖示主要站位：

• 2：低壓壓縮器進口
• 2.5：低壓壓縮器出口、高壓壓縮器進口
• 3：高壓壓縮器出口、燃燒室進口
• 4：燃燒室出口、渦輪進口
• 4.5：高壓渦輪出口、低壓渦輪進口
• 5：低壓渦輪出口
• 6：後燃器進口
• 7：後燃器出口、噴嘴進口
• 8：噴嘴喉部
• 9：噴嘴出口

判斷原則是：壓縮器使壓力升高；燃燒器使氣體溫度大幅升高；渦輪抽取能量；噴嘴將焓轉換為高速氣流。

解題方法

沿氣流方向依序檢查各組件的主要功能：

1. 以燃燒器出口與渦輪進口判斷燃燒後的最高溫度。
2. 以壓縮器出口判斷壓縮後的最高靜壓。
3. 以噴嘴出口判斷氣流膨脹加速後的最高平均速度。
4. 若有後燃器，燃料在渦輪後再次燃燒，因此重新判斷最高溫度的位置；噴嘴仍是將氣流加速至最高速度的組件。

（一）渦輪發動機最高溫度的位置

燃油在燃燒室內燃燒，氣流於燃燒室出口達到最高總溫，並在進入第一級渦輪前達到渦輪進口溫度。

因此最高溫度的位置為：

燃燒室出口／渦輪進口，4 站位。

若以更細的葉片位置表示，第一級渦輪導向葉片進口附近可標示為 $4$ 站，第一級渦輪轉子葉片位置可依題意細分為 $4.1$ 站。

（二）渦輪發動機最高壓力的位置

壓縮器持續提高氣流壓力，至高壓壓縮器出口達到全發動機內最高壓力，之後進入燃燒室時會有壓力損失。

因此最高壓力的位置為：

高壓壓縮器出口／燃燒室進口，3 站位。

燃燒室雖然增加氣體溫度，但因摩擦、混合及燃燒室壓降，壓力不會高於高壓壓縮器出口。

（三）渦輪發動機最高氣流速度的位置

渦輪從氣流中取出功，使氣流速度通常降低；噴嘴則利用壓力與溫度能量使氣流膨脹加速。

依圖示噴嘴為收斂—擴張型噴嘴，氣流在喉部達到音速條件，通過擴張段後繼續加速，故平均軸向速度在噴嘴出口達到最大。

**核心觀念：**在常用的燃氣渦輪發動機布雷頓循環站位標記中，$T_4$ 通常代表燃燒室出口、第一級渦輪入口處的燃氣總溫，也就是渦輪入口溫度（turbine inlet temperature, TIT）。$T_4$ limit 是發動機在規定運轉條件與時間內允許達到的最高 $T_4$，由設計、操作限制及適用的維修規範共同限定。

此限制主要為了保護燃燒室出口導向葉片、渦輪轉子葉片、渦輪盤等熱端零件，使其金屬溫度、熱應力與蠕變程度不超出可接受範圍。超過限制可能加速氧化、熱疲勞或蠕變，造成葉片變形、裂紋甚至失效。實際發動機可能以排氣溫度或渦輪間溫度作為駕駛艙監控量；其與 $T_4$ 的關係及限制值須依個別發動機設計與操作手冊判定。

（二）$T_4$ 溫度高低的重要性

$T_4$ 是影響渦輪發動機性能的重要參數。提高 $T_4$，在其他條件相同時，通常可增加渦輪可用功與發動機推力或軸功率，也有助於提升熱效率、降低單位推力耗油率。但此效果會受到循環條件、渦輪效率、冷卻氣流及發動機控制限制影響。

另一方面，$T_4$ 越高，渦輪熱端零件承受的熱負荷越大，對材料耐熱性、冷卻能力及塗層的要求也越高。若超過設計限制，零件壽命會縮短，並提高故障風險。因此，$T_4$ 既是性能指標，也是熱端耐久與安全的關鍵限制。

（三）提高 $T_4$ limit 的方法

解題切入點：$T_4$ limit 受限於渦輪熱端零件能承受的溫度。提高限制的作法，核心是讓零件在更高燃氣溫度下仍能維持可接受的金屬溫度、強度與壽命，可從材料、隔熱、冷卻及熱管理著手。

核心觀念

本題考航空發動機如何配合航空業達成 2050 淨零碳排，以及哪些動力與燃料路徑能降低航空對石化燃料的依賴。答題時應分清兩件事：

1. 提高現有發動機效率：降低每次飛行的燃油消耗與排放。
2. 改變能源來源或推進方式：以永續航空燃油、氫能或電力取代部分或全部傳統航空燃油。

「淨零」是以整體排放減量為優先，再處理難以消除的剩餘排放；不代表每一具發動機都必須完全不使用燃油。航空減碳也應考慮燃料的生命週期排放，而非只看發動機燃燒時排出的二氧化碳。

解題方法

可依「先改善燃油效率，再更換燃料或推進系統」作答。第一部分說明航空發動機與航空產業的因應方向；第二部分則按能源來源，列出可降低石化燃料依賴的方法，並簡述適用範圍與限制。

（一）航空產業之航空發動機因應方式（13 分）

1. 提升發動機熱效率與推進效率

發動機設計朝降低單位推力燃油消耗發展，例如提高壓縮機壓比與渦輪前溫度、改善渦輪與燃燒室設計，並降低內部流動損失。民航渦輪扇發動機亦可採用更高涵道比與更有效率的風扇，以減少產生相同推力所需的能量。

2. 採用新型發動機構型

發展齒輪傳動渦扇、超高涵道比發動機、開放式風扇（open fan）等構型，改善推進效率並降低燃油消耗。設計時仍須兼顧噪音、阻力、發動機重量、可靠度及飛航安全。

3. 改善材料、冷卻與製造技術

使用耐高溫合金、陶瓷基複合材料及輕量化構件，提升高溫部件的工作能力並降低發動機重量；搭配更精確的葉片氣動設計與冷卻技術，可減少耗能並延長零件壽命。

4. 改善燃燒與污染物控制

改良燃燒室以提升燃燒效率、控制燃燒溫度與燃油噴霧，降低氮氧化物、未燃碳氫化合物及煙粒排放。航空發動機減碳不應只看二氧化碳，也須兼顧氮氧化物、粒狀物、噪音等環境影響。

5. 提高替代燃料相容性

發展可使用永續航空燃油（SAF）的發動機與燃料系統，並依適航規範進行測試、驗證與認證。航空燃油還須符合能量密度、低溫流動性、材料相容性與安全性等要求。

6. 發展電氣化與混合動力

研究電動馬達、發電機、電力電子設備、儲能系統及渦輪電力推進。混合動力可由燃氣渦輪與電動馬達共同提供推進力，依起飛、爬升、巡航等不同階段調配功率，以降低燃油消耗。

7. 強化維護與運轉管理

透過健康監測、預測性維護與發動機性能分析，及早發現效率衰退與零件異常，維持發動機在良好狀態下運轉。搭配航路、速度與空中交通管理最佳化，可減少不必要的耗油。

（二）減少或擺脫石化能源依賴的未來方法（12 分）

1. 永續航空燃油（SAF）

SAF 可由廢食用油、生質廢棄物、非糧食生質原料，或以再生電力製成的合成燃料等來源生產。符合規範的 SAF 可與傳統航空燃油混合使用，且具備作為「直接替代型燃料」（drop-in fuel）的發展優勢，因此較容易沿用既有航空器與加油設施。

核心觀念

本題考查渦輪軸發動機的軸系配置、開放式布雷頓循環（Brayton cycle）及渦輪噴射與渦輪軸發動機的推力來源。判斷重點如下：

1. 壓縮器必須由燃氣渦輪提供軸功。
2. 渦輪軸發動機另設自由渦輪，將燃氣剩餘能量轉換為輸出軸功。
3. 渦輪噴射發動機主要利用噴嘴排氣速度產生推力。
4. 渦輪軸發動機主要利用渦輪輸出的機械軸功驅動螺旋槳、旋翼或其他負載。

（一）壓縮器渦輪與低壓渦輪是否相連接？

判斷方法

由圖可知，發動機具有兩組不同用途的渦輪：

• 壓縮器渦輪（compressor turbine）：與前方壓縮器同在燃氣發生器軸上。
• 自由渦輪或動力渦輪（free power turbine）：位於壓縮器渦輪之後，連接外部的動力輸出軸。

壓縮器渦輪接受燃燒室高溫燃氣膨脹所產生的能量，用來驅動壓縮器。因此，壓縮器渦輪與壓縮器是機械連接的。

自由渦輪則不與壓縮器渦輪及壓縮器使用同一機械軸。它利用通過壓縮器渦輪後的燃氣剩餘能量旋轉，並經由動力軸輸出功率。

答案

壓縮器渦輪與低壓渦輪（自由渦輪或動力渦輪）不相連接。

更精確地說：

• 壓縮器渦輪與壓縮器機械連接，構成燃氣發生器轉子。
• 自由渦輪使用另一根獨立的動力軸。
• 兩者雖然受到同一股燃氣流通過而具有氣動上的關聯，但沒有直接的機械連接。
• 這種配置使自由渦輪可以依負載需求，以不同於燃氣發生器的轉速運轉。

（二）其熱力循環與渦輪噴射發動機是否不同？

核心判斷

基本熱力循環沒有不同，兩者均以開放式布雷頓循環（Open Brayton cycle），亦稱焦耳循環（Joule cycle）為基礎。

理想循環可表示為：

1. $1\rightarrow 2$：壓縮器中的等熵壓縮
2. $2\rightarrow 3$：燃燒室中的定壓加熱
3. $3\rightarrow 4$：渦輪中的等熵膨脹
4. $4\rightarrow 1$：排氣及吸入新鮮空氣，為循環分析上的概念性定壓放熱過程

實際發動機為開放循環，並不是將排氣重新送回壓縮器；$4\rightarrow1$ 是為了在 $T$-$S$ 圖上封閉循環所作的理想化表示。

兩者的差異

兩種發動機的主要差別不是基本循環，而是渦輪膨脹功的分配方式及能量輸出形式。

渦輪噴射發動機

渦輪所產生的軸功主要用於：

• 驅動壓縮器；
• 驅動附件；
• 剩餘燃氣能量則保留給噴嘴，以形成高速排氣。

渦輪軸發動機

渦輪所產生的軸功分為兩部分：

• 壓縮器渦輪驅動壓縮器及附件；
• 自由渦輪將剩餘燃氣能量轉為輸出軸功。

因此，渦輪軸發動機通常會使燃氣在自由渦輪中進一步膨脹，排氣速度較低，但可取得較大的機械軸功。

答案

兩者的基本熱力循環相同，都是開放式布雷頓循環；但實際的渦輪級數、膨脹功分配、排氣狀態與輸出形式不同。

（三）主要產生推力方式及 $T$-$S$ 循環說明

1. 渦輪噴射發動機的推力來源

渦輪噴射發動機主要依靠排氣噴嘴產生高速氣流。推力可用一維動量方程表示為：

其中：

• $\dot m$：通過發動機的質量流率；
• $V_e$：排氣速度；
• $V_0$：飛行速度；
• $p_e$：噴嘴出口壓力；
• $p_0$：外界壓力；
• $A_e$：噴嘴出口面積。

在理想膨脹及壓力推力可忽略時：