114 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

啟動渦輪發動機的核心，是先以啟動器帶動壓縮器建立氣流，再依規定時序點火並供油，使燃燒室內的燃燒逐漸帶動渦輪與壓縮器加速；當發動機達到自持轉速後，啟動器退出，發動機繼續加速至穩定怠速。

不同機型的燃油接通轉速、啟動器脫離轉速與操作程序均依原廠手冊規定。以下按一般燃氣渦輪發動機的啟動原理說明。

解題方法

依壓縮器轉速由低到高排列程序，並在各階段對應觀察重點：

1. **低轉速：啟動器帶轉。**啟動器驅動壓縮器旋轉，建立通過發動機的氣流。
2. **達到規定轉速：點火並供油。**壓縮器達到機型規定的最低供油轉速後，接通點火系統並導入燃油。
3. **燃燒建立：確認點火成功。**燃油在燃燒室內點燃，排氣溫度開始上升，發動機轉速持續增加。
4. **轉速繼續上升：達到自持狀態。**燃燒所產生的能量足以維持壓縮器旋轉，發動機不再依賴啟動器加速。
5. **啟動器脫離：加速至怠速。**達到規定的啟動器脫離條件後，啟動器退出，發動機繼續加速至穩定怠速，並確認各項指示正常。

(一) 啟動程序

按壓縮器轉速由低到高，程序如下：

1. 啟動器帶動壓縮器旋轉：啟動器接合並帶動壓縮器，使空氣進入發動機並建立足夠氣流。
2. 壓縮器達到規定的供油轉速：在達到該機型規定的最低轉速後，依程序接通點火器並導入燃油。
3. 燃燒室點火，發動機開始加速：燃油與壓縮空氣混合後燃燒，排氣溫度上升，渦輪受到燃氣推動，帶動壓縮器轉速增加。
4. 達到自持轉速：當燃燒產生的功率足以使壓縮器自行運轉，發動機進入自持狀態。
5. 啟動器脫離，轉速升至怠速：依機型規定使啟動器退出，發動機繼續加速至穩定怠速；確認溫度、轉速、油壓及燃油流量等指示正常，完成啟動。

(二) 啟動時應監控的駕駛艙儀表數據

（一）EEC 的運作架構與功能特點

核心觀念

FADEC（全權數位發動機控制）是由電子控制器及其感測器、執行器等組成的發動機控制系統；EEC（電子發動機控制器）是其中負責運算與發出控制指令的核心。所謂「全權」，是指在設計的操作範圍內，EEC 能依駕駛員要求與發動機狀態，控制發動機運轉所需的燃油及相關系統，而非只提供輔助修正。

解題方法：以「輸入—運算—輸出—回授」說明架構

1. **輸入訊號：**駕駛艙推力桿位置、發動機轉速（如 N1、N2）、壓力與溫度、飛機空速或氣壓資料，以及放氣、引氣需求等。重要訊號或元件通常設有冗餘，以降低單一故障造成控制能力喪失的風險。
2. **EEC 運算：**EEC 將感測器資料與推力桿命令輸入控制邏輯，計算目標推力及所需燃油流量，並依發動機限制修正指令。
3. **輸出控制：**EEC 驅動燃油計量裝置（Fuel Metering Unit／Hydromechanical Unit），調節進入燃燒室的燃油；也可控制或協調可變靜子葉片、放氣閥、點火及其他發動機子系統。
4. **回授修正：**EEC 讀取發動機實際轉速、溫度、壓力及致動器位置等回授，與目標值比較，持續修正控制指令，形成閉迴路控制。

EEC 的典型架構與功能特點

• **雙通道冗餘：**常見 EEC 具有兩個獨立控制通道；通道可互相比對資料並偵測故障，發生故障時依系統設計切換至可用通道或降級控制。通道數與切換方式仍依發動機型號而異。
• **電子控制、液壓燃油計量：**EEC 負責計算控制需求，燃油計量裝置則依指令調整實際燃油流量。電子控制不代表燃油泵、閥件等機械或液壓元件消失。
• **發動機保護：**依設計限制燃油排程，避免超速、超溫、加速過快導致壓縮器失速等狀況；保護能力及涵蓋參數須以該型號設計為準。
• **自動化與監控：**可自動協調啟動、加減速、怠速、點火、推力反向等功能，並儲存故障資料，協助故障診斷與維護。
• **供電與備援：**控制器與感測器須有足以維持功能的供電及備援設計；其電源來源與失效後能力依型號而異。

（二）燃油控制模式

核心觀念

此題的「模式」應從 EEC 如何依推力需求控制燃油切入：控制器先依推力桿位置及飛行／發動機資料決定目標推力，再以燃油流量調整發動機輸出。渦輪扇發動機的具體模式名稱、控制參數和故障切換邏輯會因型號而異；常見概念為正常模式與備用（Alternate）模式。

解題方法：比較正常模式與備用模式的資料來源及控制效果

1. 正常模式（Normal Mode）

核心觀念

渦輪發動機多採用乾式油底殼潤滑系統，油泵將油箱中的潤滑油加壓，送往軸承、齒輪箱及其他需要潤滑的部位；回油泵再將用過的油抽回油箱。油濾的主要任務是截留油中異物，避免它們進入精密間隙與噴油孔，造成磨損或堵塞。

答題時要把握兩個原則：油濾的構件須能兼顧正常過濾與阻塞時的供油；安裝位置則可沿油液流向逐一說明各濾器的保護對象。

解題方法

先由油液循環順序辨認油濾所在位置，再按功能分成兩類：

1. 主油濾：位於供油路徑，過濾送往軸承等部位的加壓潤滑油。
2. 回油濾及末級濾網：位於回油路徑或關鍵部件入口附近，攔截回油中的磨耗顆粒，或為易受損部件提供最後一道過濾。

油濾的設計需避免濾芯阻塞而中斷供油，因此通常設有旁通閥；某些油濾也設有止回閥，減少停車後油液倒流。

（一）大多數類型油濾的主要構成元件及功能

• 濾器本體／外殼（filter body or housing）：容納濾芯與閥件，形成油液流道，並承受系統油壓。
• 濾芯（filter element）：攔截油中污染物與金屬顆粒。常見形式包括金屬網、細孔金屬濾材或其他精密濾材；濾材孔隙大小依發動機設計而定。
• 旁通閥（bypass valve）：當濾芯堵塞，或冷油黏度高造成濾芯前後壓差過大時開啟，使油液繞過濾芯繼續流向潤滑部位。其目的在維持供油，避免軸承因缺油而快速受損；代價是此時油液未經該濾芯過濾。
• 止回閥（check valve）：在設有此閥的設計中，防止停車後油液倒流或濾器內油液排空，以維持啟動時的供油條件。並非每一種油濾都具備此閥。

部分系統另設濾器堵塞指示器或差壓開關，用來提示濾芯壓差已達維護門檻；其功能是監測，不是過濾。

（二）潤滑油油濾的主要配置位置及原因

1. 壓力泵下游、軸承供油上游的主油濾

（一）發動機提供飛機系統所需引氣的方式

核心觀念

引氣（bleed air）是從燃氣渦輪發動機壓縮機段抽取的高溫、高壓空氣，供飛機氣動系統使用。空氣通常在進入燃燒室、與燃油混合燃燒之前抽出，因此它仍是壓縮空氣。抽出的空氣原本可繼續通過燃燒室與渦輪做功；抽氣會減少發動機可用於產生推力的空氣流量，因而增加發動機負荷、影響性能。

解題方法：依「取氣、調節、輸送、使用」說明流程

1. 由壓縮機取氣 發動機通常設有一個或多個引氣口，從中間級或高壓級壓縮機抽取空氣。採用哪一級，取決於發動機轉速、負載及飛機系統所需的壓力與流量。

2. 選擇適當氣源 高推力或高轉速時，中間級通常已能供應所需壓力，可優先使用中間級引氣；低推力或低轉速時，中間級壓力不足，系統可改用較後段的高壓級引氣。由止回閥、調節閥或高壓引氣閥控制各級氣源，避免氣流倒灌並維持供氣。

3. 調節壓力及流量 引氣控制閥依系統需求調節供氣壓力與流量。若壓力或溫度超限，系統可關閉相關閥門，以保護管路與下游設備。飛機的具體閥件配置會因機型而異。

4. 降低溫度並輸送至用氣系統 壓縮機引氣溫度很高，通常會經預冷器（precooler）降溫，再經管路、總管與隔離閥輸送到各用氣系統。

核心觀念

本題考查渦輪發動機的「額定推力」概念，以及駕駛艙如何以可觀測的發動機參數設定、監控推力。飛機上通常不直接量測發動機的淨推力，而是以與推力有關的轉速或壓力比等參數作為指示。

解題方法

作答時依序說明三件事：固定額定推力的定義、製造商採用此設計的目的，以及駕駛艙顯示哪些推力相關參數、各參數代表什麼。

（一）固定額定推力（Flat-Rated Thrust）

固定額定推力是指：在指定的環境條件範圍內，發動機的最大可用推力維持在製造商設定的額定值，不因較低的環境溫度而繼續增加。

環境溫度低於某一額定界限時，控制系統會限制燃油流量或發動機工作狀態，使推力維持在額定值；當溫度超過此界限後，受渦輪進口溫度、轉速等限制，可用推力會隨環境溫度升高而下降。該界限常稱為「平坦額定溫度」（flat-rating temperature）。

（二）製造商制定固定額定推力的目的

1. 提供明確且可用於性能計算的推力額定值： 在指定環境範圍內，發動機能提供穩定的額定推力，便於飛機設計、性能計算及操作程序制定。
2. 保護發動機並延長使用壽命： 發動機本身可能具備高於額定值的推力潛能；將輸出限制於額定推力，可降低過度的轉速、渦輪溫度及熱負荷，減少零組件耗損。
3. 保留高溫條件下的性能裕度： 在較冷環境中不讓推力無限制增加，可保留較多工作裕度，使發動機在高溫環境仍能於限制內提供所需推力。

（三）渦輪扇發動機推力相關數據的駕駛艙顯示

推力通常不是以直接量得的推力值顯示，而是以推力設定參數及發動機狀態參數呈現。常見項目如下：

• 風扇轉速（N1）： 表示低壓轉子／風扇轉速，通常以最大或參考轉速的百分比顯示。多數現代渦輪扇發動機以 N1 作為主要推力設定指示；駕駛員依操作程序設定相應的 N1 值。