115 高普考高考三級 輪機技術 渦輪機 考古題詳解

核心觀念

本題考查具再熱器的開放式燃氣渦輪機（布雷頓循環）。空氣先在壓縮機中壓縮，再於主燃燒室定壓加熱；高溫燃氣進入高壓渦輪膨脹作功，接著回到再熱器再次定壓加熱，最後進入低壓渦輪膨脹作功。渦輪輸出的功一部分驅動壓縮機，剩餘部分為系統淨功。

理想循環採下列假設：工作流體為定比熱理想氣體，各部件無壓力損失；壓縮機與渦輪為等熵過程；燃燒室與再熱器內為定壓加熱；排氣排入大氣，並由同溫同壓的新鮮空氣補入。

系統裝置圖

 燃料
 ↓
大氣空氣 ──→ [壓縮機 C] ──→ [主燃燒室] ──→ [高壓渦輪 HPT]
 ↑ │
 │ ↓
 │ [再熱器]
 │ │
 │ ↓
 └── 排氣 ←────────────────────────── [低壓渦輪 LPT]

主燃燒室與再熱器均由外部供熱；再熱器位於高壓渦輪與低壓渦輪之間。高、低壓渦輪可分別帶動壓縮機與外部負載，或經軸系配置共同輸出功。

理論循環圖

狀態點依序定為：$1$ 壓縮機入口、$2$ 壓縮機出口、$3$ 主燃燒室出口、高壓渦輪出口、$4$ 再熱器出口、$5$ 低壓渦輪出口。理想循環通常令 $p_1=p_5$、$p_2=p_3$、$p_4=p_5$；中間壓力為高壓渦輪出口及再熱器入口壓力。

壓力－容積圖（$p-v$ 圖）

 p
 ↑
 │ 2 ───────→ 3
 │ ↗ ╲
 │ ╱ ╲
 │ ╱ 4 ─────→ 5
 │ ╱ ╲
 │ 1 ←─────────────────────────────
 └──────────────────────────────────→ v

圖中 $1\to2$ 為等熵壓縮；$2\to3$ 為高壓定壓加熱；$3\to4$ 為高壓渦輪等熵膨脹；$4\to5$ 為中間壓力定壓再熱；$5\to1$ 表示排氣、補入新鮮空氣以回到循環起點。開放式燃氣渦輪的這段實際上是排氣與進氣的置換，不是封閉系統中的定容放熱。

溫度－熵圖（$T-s$ 圖）

 T
 ↑
 │ 3
 │ ↙ │
 │ 2 ─────────→ │
 │ ↑ ↓
 │ │ 4 ─────→ 5
 │ │ │
 │ 1 ←───────────────────────┘
 └────────────────────────────────────────→ s

圖中 $1\to2$ 與 $3\to4$、$5$ 之後的理想膨脹段為等熵過程，於 $T-s$ 圖上為垂直線；$2\to3$ 與 $4\to5$ 為定壓加熱，溫度與熵增加。圖示的狀態點依序與裝置流程相同。

解題方法與循環過程

核心觀念

本題考查燃氣渦輪主機船舶的推進控制位置分級，以及各位置能執行的操作。一般分為：

1. 駕駛臺控制位置（Bridge／Ship Control Console, SCC）
2. 中央控制站控制位置（Central Control Station, CCS；亦稱機艙控制室或推進控制室）
3. 機旁控制位置（Local Control Station；如 Propulsion Local Control Console, PLCC）

實際設備名稱和功能細節會因船型、推進配置及控制系統設計而異；作答時掌握「駕駛臺遙控、中央站監控與操作、機旁直接控制」的層次即可。

解題方法

依控制位置由遠而近說明，並對每一處交代其所在位置、主要操作和使用情境。燃氣渦輪推進控制通常涵蓋主機啟停與功率／轉速控制；若推進系統採可變螺距螺槳，也包括螺槳螺距及船舶前進、後退的控制。

各控制位置及功能

核心觀念

本題考查船舶航行中蒸汽渦輪機的值班監視與運轉管理。渦輪機轉速高、葉片與機殼間隙小，運轉時應持續確認蒸汽條件、潤滑、冷凝器真空、軸承狀態及機組熱膨脹均正常，並留意任何異常變化。

本題為操作管理題，沒有特定公式或法條需要套用。實際操作應依船上機器操作手冊及製造廠規定的正常值、警報值與跳脫值執行。

解題方法

可依「蒸汽與負荷、潤滑與軸承、冷凝與給水、機械狀態、安全處置」逐項整理。回答時不只列儀表名稱，也要交代監視目的及異常時的處置原則。

航行期間應注意事項

一、蒸汽條件與負荷

• 監視主蒸汽壓力、溫度及流量，保持在規定範圍內；留意鍋爐供汽是否穩定。
• 觀察渦輪機轉速、功率或負荷，以及調速器與操縱閥反應是否正常。
• 依命令平順增減負荷，避免不必要的急遽變速或反覆換向，以減少熱應力及機械衝擊。
• 航行中注意前進、後退操縱閥的位置與隔離狀況，避免蒸汽誤入非運轉方向的渦輪段。

二、潤滑油與軸承

• 持續監視潤滑油壓力、溫度、油位及油流量，確認各軸承、齒輪及噴油點都有正常供油。
• 檢查油冷卻器、濾器及備用油泵狀態；留意濾器前後壓差是否異常增加。
• 監視主推力軸承、徑向軸承及減速齒輪的溫度、油膜狀況與回油情形。
• 若發生潤滑油壓力驟降、供油中斷或軸承溫度快速上升，應立即依程序降低負荷或停機，避免軸承燒損及轉子損壞。

三、冷凝器真空與凝結水系統

• 維持冷凝器真空，監視真空度、冷卻水流量與溫度，以及空氣抽除設備運轉情形。
• 注意熱井水位、凝結水溫度與凝結水泵運轉狀況；確認凝結水及給水系統穩定，避免水位過高或供水中斷。

核心觀念

本題考查蒸汽渦輪機啟動前的暖機準備與操作順序。暖機的目的，是讓汽缸、轉子及蒸汽管路逐步升溫，減少各部位溫差，避免熱應力、汽缸變形、轉子彎曲及密封部位磨損；同時排除管路中的凝結水，降低水擊、葉片受損及軸承進水的風險。

暖機應遵循「先確認潤滑與冷卻、先排水與疏水、低負荷緩慢升溫、監測膨脹與振動」等原則。實際升溫速率、暖機時間、轉速及蒸汽參數，依機組製造廠操作手冊與現場規程辦理。

解題方法

作答時可依啟動流程分成四階段：啟動前檢查、建立輔助系統、暖管疏水、低速暖機與監控。先交代設備是否具備安全啟動條件，再說明如何逐步引入蒸汽，最後列出暖機期間必須觀察的狀況。

暖機準備與作業事項

一、啟動前檢查

1. 確認機組狀態與啟動條件：依操作手冊確認停機時間、汽缸與轉子溫度、啟動方式及允許的升溫、升速條件；確認周圍無妨礙運轉的工具、異物或人員。
2. 檢查渦輪機本體：確認汽缸、軸封、聯軸器、底座及固定螺栓狀況正常，盤車裝置與保護裝置可用，儀表及警報指示正常。
3. 確認潤滑油系統：檢查油箱油位與油質，啟動潤滑油泵並確認油壓、油溫及各軸承供油正常。未建立可靠油膜前，不可使轉子運轉。
4. 確認冷卻及其他輔助系統：依機組設計確認軸承冷卻、凝結水、真空或排氣等相關系統已具備運轉條件。
5. 盤車檢查：按規定使用盤車裝置，使轉子緩慢轉動，確認沒有卡滯或異常摩擦，並使轉子受熱較均勻。盤車期間應維持潤滑油供應。

二、暖管與疏水

1. 先暖蒸汽管路：開啟主蒸汽管路及相關暖管、疏水閥，依程序緩慢引入蒸汽，使管路逐段升溫。
2. 排除凝結水：確認主汽管、閥室、汽缸及排汽側疏水點排水正常；待凝結水排除、蒸汽狀態穩定後，才依程序縮小或關閉疏水閥。
3. 避免快速送汽：不可突然大量開啟主汽閥。