112 高普考高考三級 輪機技術 渦輪機 考古題詳解

核心觀念

本題考查簡單衝動式蒸汽渦輪機中，蒸汽通過噴嘴及動葉時的壓力與速度變化。衝動式渦輪機的主要膨脹發生在噴嘴內；動葉則利用蒸汽改變流向、降低相對速度，將動量轉換成轉子作功。

解題方法

沿蒸汽流動方向，依序比較噴嘴入口、噴嘴出口與動葉出口：

• **通過噴嘴：**蒸汽膨脹，壓力降低；焓降轉換為動能，因此絕對速度大幅增加。
• **通過動葉：**理想的簡單衝動式渦輪機中，動葉前後靜壓近似不變；蒸汽對動葉作功，絕對速度降低。若以相對於動葉的速度表示，蒸汽在動葉通道中因摩擦而減速。

簡圖可畫成下列趨勢：

核心觀念

本題考查燃氣渦輪機的理想密閉布雷頓循環（ideal closed Brayton cycle），也稱理想燃氣渦輪循環。工質在封閉系統中循環，依序經過等熵壓縮、定壓加熱、等熵膨脹與定壓放熱。

作圖時須掌握兩項特徵：

• 壓縮與膨脹過程為可逆絕熱，因此比熵不變。
• 加熱與放熱過程為定壓過程；加熱時溫度上升、比容增加，放熱時溫度下降、比容減少。

解題方法

先依循環順序標示狀態點，再根據各過程的熱力性質判定圖線方向。令狀態點 1 至 4 依序為壓縮機入口、壓縮機出口、加熱器出口（渦輪機入口）及渦輪機出口。

溫度－比熵圖（$T-s$ 圖）

 T
 ↑
 │ ● 3
 │ ↗ │
 │ ● 2 │
 │ ↑ ↓
 │ │ ● 4
 │ │ ↙
 │ ● 1
 └────────────────────→ s

圖中 $1\rightarrow2$ 與 $3\rightarrow4$ 為垂直線，表示比熵不變；$2\rightarrow3$ 與 $4\rightarrow1$ 為定壓加熱及放熱線。

壓力－比容圖（$P-v$ 圖）

 P
 ↑
 │ ● 2 ─────────→ ● 3 高壓定壓加熱
 │ ↖ ↘
 │ ╲ ╲
 │ ╲ ╲
 │ ● 1 ←───────── ● 4 低壓定壓放熱
 └──────────────────────────→ v

核心觀念

燃氣渦輪機起動時，起動器先帶動壓縮機，使足量空氣流經燃燒室；達到規定轉速後，再供油並點火。燃燒建立後，渦輪輸出功逐漸接手帶動壓縮機，轉速升至自持轉速與怠速，起動器退出。

因此，判斷起動是否正常，主要看三項變化是否配合：

• 轉速：起動器能否使轉子順利加速，燃燒後能否繼續升速。
• 排氣溫度：點火後是否快速升高或超過起動限制。
• 燃油與點火：供油後是否及時點火，是否有燃油進入卻未燃燒。

起動異常的根本問題，多半是供油、空氣流量、點火或起動器輸出未能相互配合。

解題方法

依起動程序判讀異常發生在哪個階段：

1. 供油點火後沒有燃燒建立：判斷為濕起動或未點火起動。
2. 燃燒建立，但排氣溫度過高：判斷為熱起動。
3. 燃燒建立，但轉速停滯在怠速以下：判斷為懸掛起動。
4. 轉速或燃燒建立後又中斷，起動未完成：判斷為假起動或起動失敗。

分類時應同時描述「可觀察到的情況」與「造成該情況的原因」，不能只列故障名稱。

不正常起動的情況與原因

一、熱起動（Hot start）

情況： 點火燃燒後，排氣溫度或渦輪入口溫度在起動期間超過規定限制，或上升過快，表示渦輪熱負荷過高。

原因：

• 供油量過大或燃油控制不良，燃油相對於進氣量過多。
• 起動轉速不足，使壓縮機供氣量不足，燃燒熱無法由足量空氣帶走。
• 起動器能力不足、起動氣源壓力低，或起動時過早供油。
• 燃油噴嘴霧化不良、燃燒不均，造成局部高溫。

判讀重點： 燃燒已建立，問題在於「溫度過高」，主要檢查燃油量與進氣量的配合。

二、懸掛起動（Hung start）

情況： 已經點火並有燃燒，但轉速上升緩慢，或停滯在低於怠速的轉速，無法加速至自持轉速；排氣溫度可能偏高，因氣流不足而散熱不良。

原因：

• 起動器輸出不足，或起動空氣、電源能力不足。
• 壓縮機進氣受阻、放氣閥或可變幾何機構異常，導致有效空氣流量不足。
• 燃油控制或調速系統異常，使渦輪無法取得足夠的加速功率。
• 機械摩擦或轉子阻力過大。

核心觀念

本題要辨認「由渦輪機本體造成」的振動來源，重點在轉子、軸承、葉片、汽封及汽缸等部件本身的狀態。解題時應把本體機械因素與外部因素分開：例如聯軸器或被帶動機械的問題、基礎或管路受力、蒸汽供應異常及潤滑油系統故障，雖可能引起機組振動，但不是本題所問的渦輪機本體原因。

轉子不平衡時，離心力隨轉速平方增加，可概念化表示為 $F=m e\omega^2$，其中 $m$ 為不平衡質量、$e$ 為偏心距、$\omega$ 為角速度。因此轉子質量分布不均，或葉片、葉輪局部損傷造成質量改變，都可能引發振動。

解題方法

依「轉子旋轉件、支承件、固定件與內部間隙」逐項檢查，說明各部件如何產生不平衡、偏心、鬆動、碰摩或共振，便能完整回答原因。

渦輪機本體造成異常振動的原因

1. 轉子不平衡或彎曲：轉子、葉輪或葉片質量分布不均；葉片斷裂、磨損、積垢或異物附著；轉子熱彎曲、永久彎曲或偏心，均會使旋轉時產生週期性離心力。
2. 轉子與固定部件碰摩：轉子與汽封、隔板、噴嘴環或汽缸間隙不足，或因轉子熱膨脹、汽缸變形、軸向位移而擦碰。碰摩會造成振動，嚴重時也會加劇轉子彎曲與損傷。