114 高普考高考三級 輪機技術 渦輪機 考古題詳解

核心觀念

本題考查開放循環式燃氣渦輪機的基本配置，以及空氣、燃料與燃燒氣體通過各元件的順序。基本系統由空氣濾清器、壓縮機、燃燒室、燃氣渦輪機、負載及排氣通道構成。燃氣渦輪機將燃料的化學能轉換為高溫燃氣的熱能，再轉為渦輪軸的機械功。

「開放循環」是指工作流體由外界吸入，經壓縮、燃燒與膨脹後，直接排回大氣，不會冷卻後再循環回壓縮機。

系統配置圖

大氣
 │
 ▼
┌─────────────────┐
│ Air Filter │
│ 空氣濾清器 │
└────────┬────────┘
 │
 ▼
┌─────────────────┐
│ Compressor │◄──────────────┐
│ 壓縮機 │ │
└────────┬────────┘ │
 │ 高壓空氣 │ 軸功
 ▼ │
┌─────────────────┐ │
│ Combustion │ │
│ Chamber │ │
│ 燃燒室 │ │
└────────▲────────┘ │
 │ 燃料 │
 Fuel Supply │
 │ │
 ▼ │
┌─────────────────┐ │
│ Gas Turbine │───────────────┘
│ 燃氣渦輪機 │
└────────┬────────┘
 │
 ▼
┌─────────────────┐
│ Exhaust Duct / │
│ Exhaust Stack │
│ 排氣道／排氣煙囪 │
└────────┬────────┘
 ▼
 大氣

燃氣渦輪機輸出軸 ─────► Load（負載／發電機）

圖中壓縮機與燃氣渦輪機通常由同一根軸連接；渦輪輸出的部分軸功帶動壓縮機，其餘軸功供外部負載使用。實際機組也可採用不同軸系配置，但開放循環的主要流路不變。

作動情形

1. **進氣與濾清：**外界空氣經 Air Filter 去除灰塵及雜質，再進入壓縮機，以減少葉片磨耗及積垢。
2. **壓縮：**空氣進入 Compressor 後，壓力與溫度上升，成為高壓空氣。

核心觀念

本題考查船舶主機選型：比較燃氣渦輪機與柴油機在重量與體積、效率與油耗、操作性能、維護、成本及船舶適用性上的差異。判斷時須同時考慮主機本身與整套推進系統，並依船舶航行負荷型態取捨。

燃氣渦輪機以連續燃燒、使高溫燃氣膨脹作功，屬布雷頓循環；柴油機則以汽缸內壓縮點火燃燒作功，屬內燃機。常用比油耗比較單位輸出功率所需燃油：

比油耗越低，代表該運轉條件下燃油經濟性越佳。比較時應分別考慮額定負荷與部分負荷，不能只看最大輸出。

解題方法

可從六個面向逐項比較：功率重量比、油耗、啟動與負荷反應、振動與噪音、維護與可靠性、造價與適用船型。作答時先指出兩者的主要取捨，再說明各自優缺點，最後連結船舶任務型態。

燃氣渦輪機作為主機

優點

• **重量輕、體積小，功率重量比高：**同等功率下，燃氣渦輪機通常比大型柴油機輕巧，可減少機艙占用並增加船舶可用空間，特別適合重視高速、快速機動或重量限制的軍艦與高速船。
• **啟動及負荷反應快：**可迅速投入運轉，適合需要快速加速、短時間提高推力的任務。
• **運轉平順、振動較小：**旋轉機械的振動通常低於往復運動的柴油機，有利於降低結構振動與部分噪音。
• **機組配置較集中，日常操作較簡化：**燃燒連續，沒有大量汽缸、活塞與汽門機構需要逐一維護；機組也可採模組化配置，便於整機更換。

缺點

• **部分負荷油耗較高：**燃氣渦輪機在接近額定功率時較能發揮性能，長時間低速或低負荷運轉時，燃油經濟性通常不如柴油機。若船舶大部分時間以巡航低速航行，這項差異會增加營運燃油成本。
• **燃油消耗通常較大：**一般單純循環燃氣渦輪機的比油耗高於柴油機；實際差距仍受機型、負荷、進排氣條件及是否採用回熱等設計影響。
• **進氣與排氣系統需求大：**需要大量進氣，進氣濾清、通風與排氣管路必須妥善設計；排氣溫度高，也會帶來隔熱與機艙配置要求。
• **對進氣環境及熱端零件要求高：**海水鹽分、灰塵及腐蝕性物質可能影響壓縮機與渦輪葉片，需維持進氣清潔並注意防蝕與熱端檢修。
• **傳動系統須配合高轉速：**渦輪轉速高，通常需經減速齒輪箱傳至螺槳；倒車推進也須依靠齒輪箱或可變螺距螺槳等配置。
• **專用零件與熱端大修成本高：**日常維護項目雖可較簡化，但核心機件、熱端檢修及專用支援設備成本可能較高，且維修能力與零件供應須納入規劃。

柴油機作為主機

優點

核心觀念

本題考查燃氣渦輪機依「工作流體是否排出並由外界補充」所作的分類，以及兩種循環的流程、設備配置與適用特性。

• 開放循環式燃氣渦輪機：吸入外界空氣，壓縮後與燃料混合燃燒；燃燒氣體通過渦輪作功，最後排入大氣。工作流體每循環後即排出，並非在機內封閉循環。
• 密閉循環式燃氣渦輪機：工作流體在封閉管路中循環，經壓縮、外部加熱、渦輪膨脹、冷卻後再送回壓縮機。加熱可由燃燒器、核熱源或其他熱源提供；燃料燃燒氣體不直接進入工作流體主循環。

解題方法與流程圖

判斷兩者差異，可沿工作流體的路徑依序比較：壓縮 → 加熱 → 膨脹作功 → 冷卻或排氣 → 返回壓縮機。開放循環在渦輪後排氣；密閉循環則經冷卻器降溫，再回到壓縮機。

開放循環式

外界空氣
 │
 ▼
[壓縮機] ──► [燃燒室] ──► [渦輪] ──► 排氣至大氣
 ▲ │
 │ └── 軸功驅動壓縮機及負載
 燃料

空氣經壓縮後直接在燃燒室內燃燒，生成的高溫燃燒氣體進入渦輪膨脹作功，之後排至大氣。

密閉循環式

 外部熱源
 │
 ▼
[壓縮機] ──► [加熱器] ──► [渦輪] ──► [冷卻器]
 ▲ │
 └──────────────────────────────────────┘
 工作流體封閉循環

工作流體在封閉管路中循環；由加熱器吸收外部熱量、在渦輪中膨脹作功，再由冷卻器排熱後回到壓縮機。

主要差異與優點

核心觀念

液態燃料進入燃燒室前，必須先霧化成細小液滴，並與空氣充分混合，才能快速蒸發、穩定燃燒並減少不完全燃燒。噴嘴型式的主要差異，在於霧化能量來自燃油壓力、霧化空氣，或旋轉所產生的離心力。

五種常見型式為：

1. 壓力霧化式（pressure atomizing）
2. 空氣霧化式（air-blast／air-assist）
3. 蒸發管式（vaporizing tube）
4. 預混預蒸發式（premixing／prevaporizing）
5. 旋轉霧化式（rotary atomizing）

各型式的名稱與分類，依教科書採用的燃燒器分類方式略有差異；本題依燃氣渦輪燃燒室常見液態燃料噴嘴分類，說明其作用與取捨。

解題方法

按霧化或燃油汽化的主要機制分類，再比較各型的霧化品質、燃油流量範圍、結構複雜度、積碳或堵塞風險，以及燃燒穩定性。作答時，每一型都交代「如何工作、優點、缺點」，即可完整回應題意。

五種噴嘴及其利弊

一、壓力霧化式

燃油由燃油泵加壓，經切向孔或旋流室形成高速旋轉液膜，再由噴孔噴出並破碎成液滴。常見設計包括單迴路（simplex）與雙迴路（duplex）噴嘴。

**優點：**結構簡單、重量較輕，不需要額外霧化空氣；正常設計下霧化效果良好，適合航空燃氣渦輪機。

**缺點：**需要較高燃油壓力；低燃油流量時霧化品質容易下降，噴孔也較易受污染或堵塞。單迴路噴嘴的適用流量範圍較窄；雙迴路可改善低、高負載供油範圍，但增加供油迴路與控制複雜度。

二、空氣霧化式

利用高速空氣剪切燃油液柱或液膜，使其破碎成細小液滴。air-blast 通常以燃燒空氣協助霧化；air-assist 則另供較高壓的少量空氣協助霧化。

**優點：**燃油所需壓力通常較低；霧化與燃油、空氣混合效果佳，適用流量範圍較廣，對燃油黏度變化較不敏感。良好的混合也有助於降低煙度及不完全燃燒產物。

核心觀念

燃氣渦輪機監視系統的目的，是讓操作人員掌握機組的性能、熱狀態、機械狀態及輔助系統狀態，及早發現超溫、超速、燃燒異常、軸承潤滑不良或振動過大等問題。監視項目應能顯示正常運轉參數，也應能在參數超限時發出警報，必要時啟動保護或停機。

解題方法

題目問「至少應包括哪些項目」，宜按監視目的分類作答，避免只列溫度、壓力等零散數值。考場上可分成以下四組：

1. 轉速與輸出

• 燃氣發生器、渦輪軸或動力渦輪的轉速。
• 軸功率、扭矩或發電機負載等輸出狀態；船用機組亦應監視推進軸負載或相關輸出。

2. 溫度與燃燒狀態

• 渦輪入口溫度或燃燒後的渦輪前溫度。
• 排氣溫度及其分布、各測點溫差。
• 必要時監視燃燒室壓力波動或燃燒狀況，以辨識燃燒不均、熄火等異常。