112 港務人員升資考試佐級晉員級 技術類(選試輪機工程概要)-臺灣港務公司 輪機工程概要 考古題詳解

核心觀念

本題考柴油機的機械效率與排氣渦輪增壓機的喘振。

機械效率是曲軸輸出功率與汽缸內指示功率的比值：

其中 $P_b$ 為有效功率（制動功率）、$P_i$ 為指示功率、$P_f$ 為機械摩擦及附屬機件所消耗的功率。柴油機增壓後，吸入汽缸的空氣質量增加，可燃燒更多燃油，提升汽缸內的指示功率；若摩擦及附屬機件損失沒有同比例增加，機械效率便會提高。

解題方法

一、增壓為何提高機械效率

依 $\eta_m=1-P_f/P_i$ 判斷：增壓使每循環進入汽缸的空氣質量增加，供油量可隨之增加，燃燒所產生的指示功率 $P_i$ 上升。活塞、曲軸及軸承等摩擦損失，以及潤滑油泵、冷卻水泵等附屬機件的消耗功率，通常不會隨指示功率等比例增加，因此 $P_f/P_i$ 下降，$\eta_m$ 上升。

以功率增量表示，若增壓前後摩擦功率近似不變，而指示功率由 $P_i$ 增加至 $P_i+\Delta P_i$，則：

這個結論以增壓後引擎在適當負荷下運轉為前提；若增壓造成額外機械損失大幅增加，則須依實際功率重新比較。

二、排氣渦輪增壓機喘振的原因

核心觀念

這題考柴油機潤滑油除減少摩擦與磨耗之外，如何協助引擎散熱、密封、清潔與防護。潤滑油的其他功用可依「帶走熱量、填補間隙、搬運污染物、保護金屬表面」來整理。

解題方法

依潤滑油在柴油機中的流動路徑與接觸部位，逐項說明其功能及作用方式：

1. 冷卻與散熱 潤滑油流經活塞、活塞環、汽缸壁、曲軸軸承等高溫或摩擦部位，吸收熱量後回到油底殼或潤滑油冷卻器散熱。活塞底部若設有噴油冷卻裝置，潤滑油也能帶走活塞熱量，降低局部過熱及潤滑油劣化的風險。

2. 密封 潤滑油在活塞環與汽缸壁之間形成油膜，填補接觸表面的微小間隙，協助維持汽缸密封，減少燃燒氣體漏入曲軸箱，並降低機油竄入燃燒室的情形。密封效果也與活塞環狀況、汽缸磨耗及油品黏度有關。

3. 清潔與搬運污染物 潤滑油沖洗或懸浮運轉中產生的積碳、煙灰、金屬磨屑及氧化產物，再經濾清器、離心式濾器或沉澱等方式去除。清淨分散作用可減少沉積物附著在活塞環槽、油道與軸承表面，維持油路暢通。

核心觀念

本題考查交流發電機併聯前的同步條件，以及操作員如何在手動控制下，使待併機與已運轉的母線電氣狀態一致，再投入斷路器。

併聯時，兩組交流電源直接連接；若電壓、頻率、相位或相序不一致，會造成衝擊電流、電磁轉矩突變，甚至損壞發電機與原動機。因此，必須先完成同步，再合上發電機斷路器。

發電機併聯的條件

1. 電壓大小相等 待併機端電壓應調整至與母線電壓相近。電壓差過大，合閘時會產生無功衝擊電流，並造成無功負載分配不均。

2. 頻率相同 待併機頻率須與母線頻率相同或非常接近。兩者的頻率差稱為滑差頻率，可表示為 $\Delta f=f_g-f_b$ 其中 $f_g$ 為待併機頻率，$f_b$ 為母線頻率。頻率差愈大，相位變化愈快，操作員可合閘的時間愈短。

3. 相序相同 三相電源的相序必須一致，例如兩者皆為 $A\!-\!B\!-\!C$。相序錯誤時，即使某一瞬間兩相電壓相位相同，其餘相仍不會同步，禁止合閘。

4. 相位角相同或接近零 合閘瞬間，待併機與母線的對應相電壓應同相，亦即相位角差 $\delta$ 接近 $0^\circ$。若相位差過大，會產生很大的瞬間電流及衝擊轉矩。

5. 電壓波形相同或相近 兩者應為相同頻率、相近波形的交流電源。正常三相同步發電機併聯時，通常以電壓、頻率、相序及相位角作為主要檢查項目。

手動併聯程序

1. 確認運轉中的母線狀態 檢查母線電壓、頻率及相序，確認母線供電正常，並確認待併機斷路器保持開路。

2. 啟動待併機並升至額定轉速 啟動原動機，逐步升速至接近額定轉速。轉速決定發電機頻率，交流同步發電機的頻率關係為 $f=\frac{Pn}{120}$ 其中 $P$ 為磁極數，$n$ 為轉速，單位為 r/min。

3. 建立並調整待併機電壓 調整勵磁，使待併機端電壓接近母線電壓。電壓主要由勵磁電流控制。

4. 調整待併機頻率 調整原動機調速器，使待併機頻率接近母線頻率。使用同步表時，通常使同步表指針以緩慢的順時針方向轉動，表示待併機略快於母線；指針過快表示頻差過大，須重新調整轉速。

5. 確認相序及相位接近同步 確認相序一致，再觀察同步表或同步燈。待同步條件符合時，於相位接近重合的適當時機合上待併機斷路器。

核心觀念

本題考查螺槳空蝕的成因，以及推力軸承在船舶推進軸系中的作用。空蝕是液體局部壓力降至該溫度下的蒸氣壓以下，產生蒸氣泡；氣泡進入較高壓力區後迅速潰滅，造成振動、噪音及材料表面侵蝕。

解題方法

螺槳旋轉時，葉片兩側的壓力不同：吸力面壓力較低，葉片轉速越高、螺距或負荷越大，局部壓力越容易下降。若吸力面局部壓力低於水的蒸氣壓，便會形成蒸氣泡；蒸氣泡隨水流移至較高壓力區後潰滅，反覆衝擊槳葉表面，形成空蝕。

船舶吃水淺、螺槳浸水深度不足，或船尾伴流不均，也會使槳葉局部流速與壓力變化加劇，提高空蝕發生機會。空蝕常造成槳葉表面點蝕、剝落、振動與噪音，並降低推進效率。

核心觀念

本題考查往復式壓縮機的多級壓縮與中間冷卻。氣體經壓縮後溫度會升高；在各級之間設置冷卻器，將氣體冷卻後再送入下一級，稱為中間冷卻。

解題方法

判斷冷卻器的目的，從「降低下一級入口溫度」推論其效果：

• 氣體溫度降低時，比容減小，下一級壓縮所需的功率與功量降低。
• 多級壓縮配合適當的中間冷卻，可使總壓縮功小於單級壓縮達到相同終壓所需的功。