109 專技高考高等考試 造船工程技師 輪機學 考古題詳解

核心觀念

本題考查蒸汽動力 Rankine 循環中「再生」與「再熱」兩種循環改良的配置及作用。

• 再生循環（Regenerative Cycle）：從汽輪機中間級抽取部分蒸汽，加熱給水。給水進入鍋爐前溫度提高，可減少鍋爐所需的外部熱量，並提高循環平均吸熱溫度，因而提升熱效率。
• 再熱循環（Reheating Cycle）：蒸汽在汽輪機高壓段膨脹後，送回鍋爐再熱器加熱，再進入低壓段繼續膨脹。這能提高低壓段入口蒸汽的乾度，減少末級濕蒸汽與水滴侵蝕。
• 再生再熱循環：同時採用抽汽加熱給水及蒸汽再熱，使循環效率與汽輪機末級運轉條件改善。

配置簡圖

 ┌──────────────┐
 │ 鍋爐／過熱器 │
 └──────┬───────┘
 │ 主蒸汽
 ▼
 ┌────────────────┐
 │ 高壓汽輪機 HP │
 └───┬────────┬───┘
 │ │
 抽汽至給水加熱器 ─┘ │ 排汽
 │ ▼
 │ ┌──────────────┐
 │ │ 鍋爐再熱器 RH │
 │ └──────┬───────┘
 │ │ 再熱蒸汽
 │ ▼
 │ ┌────────────────┐
 │ │ 低壓汽輪機 LP │
 │ └──────┬─────────┘
 │ │ 排汽
 │ ▼
 │ ┌──────────────┐
 │ │ 冷凝器 │
 │ └──────┬───────┘
 │ │ 凝結水
 ▼ ▼
 ┌──────────────┐ ┌──────────────┐
 │ 給水加熱器 │◀───────│ 給水泵 │
 └──────┬───────┘ └──────┬───────┘
 │ 加熱給水 │
 └───────────────回鍋爐────┘

圖中抽汽取自高壓汽輪機的中間級，實際機組可設置一個或多個給水加熱器；再熱器則位於高壓段排汽與低壓段入口之間。

解題方法與運作情形

核心觀念

冷凍機壓縮機吸入壓力，主要受蒸發器壓力與蒸發器內冷媒蒸發狀況影響。冷媒在蒸發器吸熱汽化；當蒸發器負荷過大、供液過多，或壓縮機抽氣能力不足時，蒸發器及吸入側的壓力便可能升高。

對純冷媒而言，飽和壓力與飽和溫度具有對應關係：

因此，吸入壓力偏高表示蒸發壓力高於設計值。診斷時應同時檢查冷凍負荷、膨脹閥供液、壓縮機抽氣能力與壓力控制裝置；單看壓力錶不宜直接判定故障原因。

解題方法

題目要求列出七項常見原因及排除對策，適合依「蒸發器負荷與供液」以及「壓縮機能力與壓力控制」分類。每一項須說明故障如何造成吸入壓力升高，並提出相應處置。

七項原因與排除對策

1. 冷凍負荷過大 冷藏庫熱負荷突然增加，例如大量暖貨進庫、庫門長時間開啟或外界熱量大量進入，會使蒸發器吸熱量增加，蒸發壓力升高。 **對策：**減少暖貨一次進庫量、縮短開門時間、改善門封與隔熱，並確認冷凍負荷沒有超出設備設計能力。

2. 蒸發器熱負荷或風量過大 風扇轉速過高、風量配置不當，或蒸發器側熱源異常，會增加蒸發器吸熱，使蒸發溫度及吸入壓力偏高。 **對策：**依設備設計調整風量與風扇運轉，排除額外熱源，並確認蒸發器運轉條件符合設計值。

3. 膨脹閥開度過大或調整不當 膨脹閥供液過多時，蒸發器內冷媒流量超過負荷所需，造成蒸發壓力偏高；若液態冷媒流至吸入管，還可能造成壓縮機液擊。 **對策：**檢查膨脹閥開度、感溫包固定位置與接觸狀況，依規範調整過熱度；確認閥件規格適合實際負荷。

核心觀念

燃氣渦輪機燃燒室的功能，是在壓縮機送來的高壓空氣中噴入燃油並燃燒，使燃氣溫度升高，再送入渦輪機作功。題幹所稱「升高至進氣溫度」應理解為升高至燃燒室出口所需的燃氣溫度；燃燒室入口空氣已經過壓縮，燃燒後的出口溫度則須符合渦輪機的工作需求及耐熱限制。

設計燃燒室時，須兼顧燃燒效率、壓力損失、火焰穩定、出口溫度分布及結構壽命等要求。

解題方法

題目要求列出五項主要設計考量，作答時可依序從「燃燒性能、流動損失、運轉穩定、渦輪保護、結構耐久」整理：

1. 高燃燒效率：燃油應充分燃燒，使燃燒室能有效提供所需熱量，減少未燃燃油及排氣中的一氧化碳、碳氫化合物與煙粒。
2. 低壓力損失：燃燒室內的流動、混合與燃燒會造成總壓下降；設計須控制此損失，以維持渦輪入口壓力及引擎循環性能。

核心觀念

本題在考船用柴油機燃用低質燃油（劣質燃油）的定義，以及燃油性質不佳時對燃燒、潤滑、磨耗、腐蝕與機件可靠度的影響。這是輪機學的原理題，無須套用法條或公式。

「低質燃油」通常指相較於一般燃油，品質較差、雜質較多或燃燒性較差的燃油。船舶使用的重油可能含有較高比例的硫、灰分、殘碳、瀝青質、釩、鈉、鋁矽催化劑微粒及水分；也可能具有較高黏度、密度，或較差的點火與燃燒品質。判斷重點不是只看燃油是否「重」，而是看其成分與物性是否使供油、霧化、燃燒及燃燒後產物處理更加困難。

解題方法

作答可先說明低質燃油的意義，再依燃油進入柴油機後的流程整理不良後果：

1. 供油與霧化：黏度、密度或雜質偏高，會增加加熱、淨油、過濾及噴射控制的負擔。
2. 燃燒與排氣：點火、燃燒不良時，容易產生積碳、黑煙、未燃油及排氣溫度異常。
3. 潤滑與磨耗：燃油污染潤滑油，或燃燒產物進入汽缸，會加速活塞、活塞環與汽缸套磨耗。
4. 腐蝕與高溫沉積：硫、釩、鈉等成分形成腐蝕性或低熔點化合物，侵蝕高溫機件並促進沉積。
5. 機件可靠度：沉積、磨耗及腐蝕累積後，增加故障、性能下降與維修需求。

低質燃油可能造成的不良後果

• 燃燒不良、柴油機性能下降：點火延遲或燃燒不完全，使燃燒壓力與熱效率降低，造成出力不足、油耗增加、運轉不穩或爆震。
• 噴油系統磨耗及故障：鋁矽催化劑微粒、灰分或其他固體雜質會磨損噴油泵、噴油器及閥件；燃油黏度過高或供油處理不當，也會妨礙噴射與霧化。

核心觀念

螺旋槳旋轉時，葉片兩側的壓力不同：葉背（吸力面）壓力較低，葉面（壓力面）壓力較高。當葉背局部絕對壓力降至水在該溫度下的飽和蒸氣壓，或低於此值時，水會汽化，形成含水蒸氣的空泡；這種現象稱為空蝕。

判斷空蝕是否發生，可用空蝕數表示局部壓力相對於蒸氣壓的裕度：

其中 $p$ 為局部絕對壓力、$p_v$ 為水的飽和蒸氣壓、$\rho$ 為水的密度、$V$ 為相對流速。當局部壓力降至蒸氣壓附近，空蝕較容易發生；轉速或負荷增加、葉片局部流速提高，通常也會使空蝕風險上升。

空泡隨水流進入較高壓力區後會凝結、潰滅。空泡反覆生成與潰滅會造成噪音、振動及葉片表面侵蝕。

解題方法

依空泡外觀及其對應的葉片壓力分布，分別說明三種常見型態：片狀空蝕、泡狀空蝕與渦流空蝕。回答時要把「何處壓力降低」和「空泡呈現何種形狀」連結起來。

三種常見空泡形狀與產生機制

1. 片狀空蝕（sheet cavitation） 葉背局部壓力大幅降低時，空泡會貼附於葉片表面，形成片狀或薄層狀空腔，常從前緣附近開始，並沿弦向延伸。空腔末端流入較高壓區時會凝結；