111 高普考高考三級 輪機技術 渦輪機 考古題詳解

核心觀念

本題考渦輪級的歐拉渦輪方程與動量定理。渦輪從工作流體取得的比功，等於動葉切線速度乘以流體進、出口的圓周分速度變化：

已知半徑 $r=1\ \mathrm{m}$、切線速度 $C=175\ \mathrm{m/s}$，故角速度為 $\omega=C/r$。軸向推力則由進、出口軸向速度的動量變化求得。

解題方法與計算

（一）輸出轉矩

單位時間內工作流體的角動量變化，等於渦輪輸出轉矩：

代入 $\dot m=0.5\ \mathrm{kg/s}$、$r=1\ \mathrm{m}$、$\Delta V_w=410\ \mathrm{m/s}$：

（二）軸向推力之大小及方向

圖中軸向流動方向向下，入口軸向速度為 $V_{a1}=120\ \mathrm{m/s}$，出口軸向速度為 $V_{a2}=140\ \mathrm{m/s}$。流體所受軸向力為：

這是轉子對流體向下的力，因此流體對轉子的反作用力向上，大小相同：

（三）輸出功率

先由切線速度求角速度：

核心觀念

本題考查燃氣渦輪機布雷頓循環加入中間冷卻與再生後，如何改變壓縮功、熱加入量及循環熱效率。

循環熱效率定義為：

其中 $W_{\mathrm{t}}$ 為渦輪輸出功，$W_{\mathrm{c}}$ 為壓縮機耗功，$Q_{\mathrm{in}}$ 為燃燒器加入的熱量。分析時須分清兩個效果：中間冷卻主要降低壓縮功；再生器主要回收排氣熱、減少燃燒器所需熱量。

解題方法與系統圖

以下以空氣標準循環表示，假設各部件壓力損失可忽略，且再生器有效運作時渦輪排氣溫度高於壓縮後空氣溫度。

空氣
 │
 ▼
低壓壓縮機 ──2──► 中間冷卻器 ──3──► 高壓壓縮機 ──4──► 再生器冷側 ──5──► 燃燒器 ──6──► 渦輪 ──7──► 再生器熱側 ──8──► 排氣
 ▲ │
 └────────────────────────────── 渦輪輸出軸帶動兩段壓縮機及負載 ◄─────────────────────────┘

狀態變化依序為：

• $1\to2$：低壓段壓縮。
• $2\to3$：中間冷卻器近似定壓冷卻。
• $3\to4$：高壓段壓縮。
• $4\to5$：再生器以渦輪排氣預熱壓縮空氣，近似定壓加熱。
• $5\to6$：燃燒器供熱，近似定壓加熱。
• $6\to7$：渦輪膨脹作功。
• $7\to8$：渦輪排氣在再生器中放熱，近似定壓冷卻。

對應溫熵圖

下圖為示意圖；縱軸為溫度 $T$，橫軸為熵 $s$。

 T
 ↑
 │ 6
 │ ╱ │
 │ 5 ╱ │
 │ │ │
 │ 4 ────┘ │
 │ ╱ 7
 │ 3 ───┘ ╱
 │ ╱ 8 ─┘
 │ 1 ──────┘
 │ ╲
 │ 2
 └──────────────────────────────────────→ s

圖中 $2\to3$ 是中間冷卻，$4\to5$ 是再生器預熱，$7\to8$ 是渦輪排氣在再生器中冷卻。實際溫熵圖上，各定壓過程的斜率會依氣體性質而異；示意圖著重表示過程方向及溫度變化。

為何能提高循環熱效率

中間冷卻器：降低壓縮功

壓縮過程中冷卻空氣，可降低第二段壓縮入口溫度，因此同一壓力比下，第二段所需壓縮功較小。兩段壓縮的比功可寫成：

核心觀念

本題考查兩段抽汽再生循環：蒸汽在渦輪機內膨脹時，於兩個不同壓力抽出部分蒸汽，分別加熱給水，再讓未抽出的蒸汽繼續膨脹做功。給水溫度提高後，鍋爐所需加入的熱量減少，循環熱效率因而提高。

題目未指定給水加熱器型式，以下採用兩具閉式給水加熱器作示意。閉式加熱器中，抽汽在管外凝結放熱，給水在管內流動；高壓加熱器的疏水經疏水閥降壓後流入低壓加熱器，低壓加熱器疏水再排入凝汽器。

解題方法

先依設備功能畫出兩條流程：

1. 主蒸汽與抽汽流程：鍋爐蒸汽進入渦輪機膨脹，在高、低壓位置各抽出一股蒸汽，其餘蒸汽繼續膨脹至凝汽器。
2. 給水流程：凝汽器的凝結水經泵加壓，依序通過低壓與高壓給水加熱器，再回到鍋爐。

蒸汽渦輪機系統圖

 ┌──高壓抽汽 y_H──→┌──────────┐
 │ │ 高壓閉式 │
┌──────┐ 主蒸汽 ┌──────────────┐ │ │ 給水加熱器│
│ 鍋爐 │──────────→│ 蒸汽渦輪機 ├──┘ └────┬─────┘
└──▲───┘ │ │ │疏水
 │ │ ├──低壓抽汽 y_L──→┌──────▼───┐
 │ └──────┬───────┘ │ 低壓閉式 │
 │ │ 排汽 │ 給水加熱器│
 │ ▼ └──────┬───┘
 │ ┌──────────┐ │疏水
 │ │ 凝汽器 │←───────────────────────────┘
 │ └────┬─────┘ 高壓加熱器疏水
 │ │ 經疏水閥流入低壓加熱器
 │ 凝結水泵
 │ │
 │ 給水泵
 │ │
 │ ▼
 │ ┌────────────────┐
 └─────────────┤低壓加熱器 → 高壓加熱器├────→ 鍋爐
 └────────────────┘
 給水依序受熱

高壓抽汽取自渦輪機較前段，壓力及溫度較高；低壓抽汽取自較後段。兩股抽汽在各自加熱器中凝結放熱，凝結水（疏水）依圖示逐級排放。

對應熱力循環圖（$T$–$s$ 圖）

下圖為循環狀態變化的示意圖，非依比例繪製。$6\to7\to8\to9$ 為渦輪機膨脹路徑，$7$、$8$ 分別為高壓及低壓抽汽點。

核心觀念

本題評量蒸汽渦輪機（Steam Turbine）在大修（Overhaul）或船級檢驗（如特別檢驗 Special Survey）進行內部開放檢查（Casing-open Inspection）時的實務維護技術。考點聚焦於：

1. 高溫、高壓、高速旋轉環境下的機件劣化機制：包括熱疲勞裂紋、潛變（Creep）、水滴侵蝕（Erosion）、化學腐蝕（Corrosion）、沉積結垢（Fouling）及機械磨損。
2. 動靜組件之幾何公差與間隙量測：轉子下陷量（Rotor Drop）、徑向葉頂間隙（Radial Clearance）、軸向動靜間隙（Axial Clearance）、軸承頂隙與推力間隙（Bearing & Thrust Clearances）。
3. 安全運轉關鍵機件：轉子組件、靜子與隔板、軸承裝置、汽封裝置及閥件控制機構之狀態檢定標準與非破壞檢驗（NDT）方法。

解題方法

本題為標準的輪機工程申論題。解題時應採取**「系統模組化分類法」**，避免零散列舉導致漏項。將渦輪機內部機件劃分為五大模組：

1. 旋轉機件（轉子與動葉片組件）
2. 固定機件（噴嘴、隔板與靜葉組件）
3. 支承與定位機件（徑向軸承與推力軸承）
4. 密封機件（軸端汽封與隔板汽封）
5. 外殼與汽室閥件（上下汽缸、調節閥及超速跳脫閥）

各機件之檢查項目需涵蓋兩大面向：

• 狀態檢查（質化）：目視與非破壞檢驗（沖蝕、裂紋、結垢、變形、燒損）。
• 數值量測（量化）：幾何尺寸與組裝間隙量測（橋規讀數、塞尺量測、壓鉛法、千分錶校驗）。

選項分析

本題為高考三級申論問答題，無選擇題選項。歷年考生在本科目答題時常見之落差與評分要點如下：

• 常犯缺失一（僅列機件名稱，欠缺具體項目）：僅寫「檢查葉片、軸承」，未具體指出「葉根裂紋探傷」、「低壓末級水滴沖蝕」或「軸承頂隙量測」。
• 常犯缺失二（忽略幾何間隙與基準讀數）：漏答渦輪機吊缸前後必做的關鍵數據——「橋規（Bridge Gauge）轉子下陷量」及「推力間隙（Thrust Clearance）」。
• 滿分作答標準：機件分組清楚，各組同時列出「檢驗構件」、「劣化模式」與「量測／檢驗手法」。

解題技巧

1. 答題結構口訣化：依「轉、靜、軸、封、殼」五字訣開展，層次分明且不遺漏主要機件。
2. 緊扣蒸汽環境特性：

• 高壓高溫段（HP）：著重熱應力裂紋、高溫潛變、固體微粒沖蝕（SPE）。
• 低壓低溫段（LP）：著重凝結水滴沖蝕（Water Droplet Erosion）、濕蒸汽腐蝕、圍帶鬆脫。

3. 量測儀器搭配具體化：提及間隙時明確寫出檢驗工具（例如：厚薄規／塞尺、千分錶、橋規、壓鉛絲法、染劑滲透檢驗 PT、磁粒檢驗 MT）。

【答案】

蒸汽渦輪機內部開放檢查（吊缸大修）時，應特別注意之主要機件及其檢查項目依功能分類說明如下：

一、 轉子與動葉片組件（Rotors and Moving Blades）

1. 動葉片（Moving Blades / Buckets）：

• 沖蝕與腐蝕：檢查高壓級葉片前緣之固體微粒沖蝕（SPE），以及低壓級末數級葉片背面與出汽側邊緣之濕蒸汽水滴沖蝕（Erosion）與點蝕。
• 葉根（Blade Roots）與輪盤（Discs）：檢視倒樅樹型（Fir-tree）或鳩尾型（Dovetail）葉根接觸面是否有微動磨損（Fretting Wear）；使用液體滲透檢驗（PT）或磁粒檢驗（MT）檢查葉根圓角處有無疲勞裂紋。
• 圍帶（Shroud Rings）與減震線（Lacing / Tie Wires）：檢查圍帶鉚釘（Tenon Rivets）是否鬆動或開裂、相鄰圍帶熱膨脹間隙是否正常；檢查減震繫線銀銲處有無斷裂或磨損。
• 沉積物結垢（Deposits）：檢視葉片表面水垢、矽化物及鹽類沉積厚度，評估蒸汽純度並進行噴砂或水洗清潔。

2. 轉子軸（Rotor Shaft）：

• 軸頸（Journals）：檢查與主軸承接觸之軸頸表面是否有刮傷、拉毛、凹陷或過熱變色。

核心觀念

本題旨在評量考生對「蒸汽渦輪機（Steam Turbine）起動程序、運轉物理條件及連鎖保護系統」之全盤理解。蒸汽渦輪機由靜止或盤車狀態加速至工作轉速的過程中，必須滿足熱力狀態、機械阻力、潤滑密封與安全控制四大要素的平衡。其核心考點包括：

1. 轉子力學與熱應力平衡：靜摩擦力矩、高溫差導致的軸彎曲（Thermal Bowing）、動靜件間隙變化（差脹，Differential Expansion）。
2. 蒸汽熱力條件與流體流動：主蒸汽過熱度不足、缸體暖機疏水不全導致的凝結水阻滯與水擊（Water Hammer）。
3. 輔機及伺服流體系統：潤滑油膜建立、頂軸油壓（Jacking Oil Pressure）、冷凝器真空建立、軸封系統作用。
4. 控制與安全保護連鎖（Trip & Interlock）：緊急跳脫閥未復歸、保護裝置因量測訊號異常所觸發的起動閉鎖（Startup Lockout）。

解題方法

本題為典型之申論題（問答題）。在作答策略上，切忌零散列舉瑣碎故障，應採用「系統化分類法」進行架構化陳述。將「起動困難」界定為三大物理現象：

• 無法衝動（無法克服靜摩擦起轉）
• 衝動後轉速無法上升或中途停機
• 控制系統閉鎖禁止開閥起動

循此邏輯，從「機械與轉子狀態」、「蒸汽與閥件控制」、「輔助系統狀態（油／真空／軸封）」及「安全連鎖閉鎖」四個面向層層剖析，方能展現輪機工程師之邏輯深度與答題完整性。

選項分析（各系統原因深度剖析）

註：本題為申論問答題，無客觀選項。以下針對各次系統進行關鍵成因之逐項深入剖析：

一、 機械阻力與轉子熱變形因素（機械致動受阻）

1. 轉子熱彎曲造成動靜件動態摩擦或咬死（Rubbing / Seizure）：

• 若停機冷卻過程中未正常使用盤車機（Turning Gear），或暖機不均勻，轉子上下側溫差過大會產生熱彎曲（Thermal Bowing）。此時起動，動葉片與噴嘴、汽缸內壁或軸封梳齒會發生摩擦，機械阻力極大，甚至導致轉子卡死無法轉動。

2. 軸承潤滑油膜未建立或頂軸油壓不足：

• 轉子自重極大，靜止時處於乾摩擦或邊界潤滑狀態。若未開啟高壓頂軸油泵（Jacking Oil Pump）使軸頸浮起，或潤滑油溫過低導致黏度過高，起動扭矩將不足以克服靜摩擦力矩。

3. 軸承損壞或推力軸承間隙異常：

• 徑向軸承或推力軸承（Thrust Bearing）燒損、推力瓦塊偏斜，造成軸向位移超標或旋轉阻力驟增。

二、 蒸汽供應、疏水及閥件控制因素（推動力矩不足）

1. 主蒸汽壓力或溫度過低：

• 鍋爐蒸汽參數未達起動規定標準（壓力低、過熱度不足），蒸汽焓降 $\Delta h$ 過小，進入噴嘴後的膨脹做功能力不足，無法產生足夠的衝動力矩使轉子加速。

2. 暖機不足與汽缸內部積水（疏水不良）：

• 暖機時間不足、各級抽汽與汽缸疏水閥（Casing Drains）未開或堵塞。汽缸內部積存冷凝水不僅會產生阻力拖慢轉子，更具嚴重的液擊與水錘（Water Hammer）危險，阻礙正常轉動。

3. 主汽閥、調節閥或跳脫節流閥卡澀：

• 主跳脫閥（Main Stop Valve / Trip & Throttle Valve）或調速閥（Governor Valves）機械槓桿卡死、閥桿積垢結垢、或伺服閥無動作，導致閥門無法正常開起至預定開度。

三、 輔助系統未達標因素（系統先決條件不滿足）

1. 冷凝器真空度未建立或真空度不足（背壓過高）：

• 抽氣器（Air Ejector）或真空泵異常、軸封蒸汽系統（Gland Steam System）未正常供汽建立密封，導致大氣滲入冷凝器。過高的排汽背壓使蒸汽流通受阻，降低級間壓降，使渦輪機難以提速。

2. 軸封蒸汽供汽異常：

• 軸封供汽壓力不足無法擋住空氣吸入，或軸封汽溫度過高／過低造成軸頸局部熱變形卡澀。