110 高普考高考三級 輪機技術 渦輪機 考古題詳解

核心觀念

本題考查船舶蒸汽渦輪機依蒸汽通過渦輪機的流動方向與排汽方式所作的分類。解題時要辨別蒸汽是沿渦輪軸向前進、向外徑方向流動，或是由中央向內徑方向流動；此外，船舶主機常採用多汽缸、串聯膨脹的配置，也應一併說明。

解題方法

依蒸汽在渦輪內的主要流動路徑，可分為下列三類：

一、軸流式渦輪機（Axial-flow turbine）

蒸汽大致平行於渦輪軸線流動，依序通過固定噴嘴（或噴嘴葉片）與轉子葉片。蒸汽在噴嘴中膨脹、加速，再在轉子葉片中改變方向並推動轉子旋轉。

軸流式可依蒸汽作用方式分為：

• 衝動式（Impulse turbine）：主要在固定噴嘴中膨脹，蒸汽進入轉子時速度高；轉子葉片主要改變蒸汽方向，利用速度變化產生轉矩。
• 反動式（Reaction turbine）：蒸汽在固定葉片與轉子葉片中都膨脹，轉子葉片通道本身也形成噴嘴作用；轉子因蒸汽速度及壓力變化而受力。

船舶蒸汽渦輪主機通常採軸流式，並以多列葉片逐級降低蒸汽壓力、利用其能量。

二、徑流向外式渦輪機（Radial-outflow turbine）

蒸汽由靠近軸心處進入，沿半徑方向向外流動，通過各級葉片後排出。隨著流動半徑增加，蒸汽通流面積可逐漸增大，供蒸汽膨脹後體積增加時使用。

核心觀念

簡單理想郎肯循環由鍋爐、渦輪機、冷凝器及給水泵組成。理想渦輪機內為等熵膨脹，因此 $s_2=s_1$；理想給水泵的功可用飽和液比容近似計算：

循環熱效率為淨輸出功除以鍋爐吸熱：

其中 $h_1$、$h_2$ 分別為渦輪機入口、出口焓，$h_4$ 為泵後給水焓。

解題方法

取渦輪機入口為狀態 1，渦輪機出口為狀態 2，冷凝器出口為狀態 3，給水泵出口為狀態 4。

渦輪機入口表列數據為：

理想渦輪機等熵膨脹至 $75\ \mathrm{kPa}$，故 $s_2=s_1$。出口為濕蒸汽，其乾度為：

因此渦輪機出口焓為：

渦輪機單位質量輸出功：

核心觀念

本題考查重型船用燃氣渦輪機的分級檢查與維護制度，以及機組運轉時如何藉由性能與狀態數據及早發現異常。維護深度由淺入深，可概括為：運轉中監視、停機檢查、燃燒系統檢查，以及主要檢查。

題目不是計算題，也沒有法條適用問題。作答時應先列明四個階段，再集中說明第一階段「運轉檢查」所需紀錄與監控的項目。

解題方法

以檢查時機與拆檢深度區分四階段：

1. 機組運轉中觀察及記錄性能數據。
2. 按排定間隔停機，進行一般檢查與必要的保養。
3. 針對燃燒室等熱端燃燒部件進行檢查。
4. 進行範圍最廣的主要檢查，深入檢查渦輪機與壓縮機等重要部件。

題目特別追問運轉檢查項目，因此列舉時應涵蓋輸出與排氣溫度、燃料系統、振動、軸承與潤滑、啟停表現等面向，並說明記錄數據的用途。

四個維護保養階段

1. 運轉檢查（Running inspection） 機組運轉中依排定時程觀察，持續記錄負載、溫度、振動及燃料系統等資料，以追蹤性能變化、判斷保養需求。

2. 停機檢查（Shutdown inspection） 機組停機後按規定間隔實施檢查與保養。檢查範圍依項目而定，可能包括燃油噴嘴、燃燒襯套及交叉點火管等部件。

3. 燃燒檢查（Combustion inspection） 重點檢查燃燒室及燃燒系統部件的狀況，例如燃油噴嘴、燃燒襯套、交叉點火管與相關燃燒部件，及早處理劣化，避免損害擴及下游渦輪部件。

4. 主要檢查（Major inspection） 屬於範圍最廣、拆檢較深入的檢查，針對燃氣渦輪機磨耗部位與重要結構進行徹底檢查；必要時打開上部外殼、移開軸承蓋，使內部零件露出，以利檢查、修理或更換。

運轉檢查所需監控項目

核心觀念

本題依工作流體的流動路徑，區分燃氣渦輪機的開式循環與閉式循環。兩者都以壓縮、加熱、膨脹作為基本過程，理想化時皆可用布雷頓（Brayton）循環描述；差別在於工作流體是否排出並更換，或在系統內反覆循環。

解題方法

先看渦輪機出口的流體去向，再說明各設備中的熱力過程。理想布雷頓循環通常以四個狀態表示：

• $1\to2$：壓縮機中等熵壓縮。
• $2\to3$：定壓加熱。
• $3\to4$：渦輪中等熵膨脹作功。
• $4\to1$：定壓放熱或冷卻，使工作流體回到循環起點。

開式循環的實際流體離開渦輪後排至大氣，並由大氣補入新鮮空氣；$4\to1$ 是理想循環分析中的等效放熱過程。閉式循環則由冷卻器把渦輪排出的工作流體冷卻後送回壓縮機，形成實際的封閉流路。

循環示意圖與性質

一、開式循環

大氣空氣
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壓縮機 ──► 燃燒室（燃料燃燒、定壓加熱）──► 渦輪 ──► 排氣至大氣
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 └──────────── 新鮮空氣由大氣補入 ────────────┘