113 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

船舶動力傳動，是將主機輸出的功率傳至推進器的方式。選擇時要配合主機轉速與螺槳適用轉速：主機若能以適合螺槳的低轉速運轉，可直接驅動；若主機轉速較高，通常須經減速齒輪箱降速。

傳動方式分類

船舶動力常見的傳動方式可分為：

1. 直接傳動：主機曲軸經軸系直接連接螺槳，不經減速齒輪。
2. 齒輪傳動：主機與螺槳之間設減速齒輪箱，使螺槳轉速低於主機轉速；亦可配合離合器等裝置。
3. 電力傳動：主機帶動發電機，再由電動機驅動螺槳。
4. 液力傳動：利用液力偶合器或液力變矩器傳遞動力，常用於特定船型或需要較平順調速的推進系統。

解題方法與主機配用理由

判斷主機適用方式，掌握「大型低速主機配大螺槳，通常直接傳動；高速主機轉速過高，須減速後帶動螺槳」即可。

大型商船柴油主機：採直接傳動

大型商船常用低速二行程柴油主機。其轉速低，適合直接配合大型螺槳的低轉速需求，因此主機曲軸可經軸系直接帶動螺槳，通常不需減速齒輪箱。

核心觀念

本題考查船舶柴油機的渦輪增壓原理，以及排氣定壓增壓與動壓增壓在排氣能量利用、掃氣效率和燃油消耗上的差異。

渦輪增壓機利用柴油機排氣的能量帶動渦輪，渦輪與壓氣機裝在同一軸上；壓氣機將空氣壓縮後送入汽缸，增加每循環的進氣量與氧氣量，使柴油機能燃燒更多燃油並提高輸出功率。

解題方法

作答可依序說明渦輪增壓機的構成與作用，再比較兩種增壓方式的排氣歧管配置、排氣壓力變化及能量利用，最後連結到燃油消耗率的差異。

1. 渦輪增壓機的定義

渦輪增壓機由排氣渦輪與空氣壓氣機組成，兩者以共同軸連接。柴油機排氣流經渦輪，使渦輪旋轉並帶動壓氣機；壓氣機吸入外界空氣，將其壓縮後送入汽缸，通常再經空氣冷卻器降溫，以提高進氣密度。

其主要效果為：

• 增加汽缸每循環吸入的空氣質量，改善燃燒與掃氣。
• 在相同排氣量下提高柴油機的輸出功率，或在相同輸出下改善燃油經濟性。

2. 定壓增壓與動壓增壓的差異

定壓增壓是讓各缸排氣先進入較大的排氣總管，使壓力脈動互相平抑，渦輪在近似定壓的排氣條件下工作。

動壓增壓則縮小排氣總管容積，並依排氣順序安排汽缸分組，使排氣脈衝盡量不互相干擾，將脈衝能量直接送到渦輪。

核心觀念

柴油機燃料燃燒所產生的能量，只有一部分轉成軸功，其餘隨排氣、冷卻水及潤滑油等排出。提高廢熱利用率的關鍵，是依熱源的溫度與流量，將可回收熱量轉為船上可用的蒸汽、熱水、淡水或電力，以減少輔助鍋爐與發電機的燃油消耗。

熱回收量可用下式概念估算：

其中 $\dot m$ 為熱流體質量流率，$c_p$ 為比熱。排氣通常具有較高溫度，適合產生蒸汽或發電；缸套冷卻水等低溫熱源則適合供應熱水或低溫蒸餾熱源。

解題方法

本題是申論題，宜從「回收哪些熱源、採用什麼設備、回收後供何種用途」分層作答，並補充運轉管理與安全限制。核心做法如下：

1. 回收排氣熱，產生蒸汽或熱水 在主機排氣管設置廢氣鍋爐（排氣經濟器），利用排氣加熱給水，產生蒸汽供船上加熱、生活用汽或其他蒸汽負載；也可用於預熱給水或加熱燃油。如此可減少輔助鍋爐的運轉與燃油消耗。

2. 以廢熱蒸汽發電 廢氣鍋爐產生的蒸汽可驅動蒸汽渦輪發電機，供應船舶電力，減少輔機柴油發電機的負載。大型主機可採多壓力蒸汽系統，以利用不同溫度區段的排氣熱。

核心觀念

本題考查蒸汽的狀態與船舶蒸汽輪機的熱力性能。水在一定壓力下加熱至沸點後，會成為與液態水處於熱平衡的乾飽和蒸汽；若再繼續加熱，使蒸汽溫度高於同一壓力下的飽和溫度，即為過熱蒸汽。

以蒸汽輪機推動船舶時，蒸汽在汽輪機內膨脹做功。選用過熱蒸汽的主要理由，是提高蒸汽進入汽輪機時的焓與可用熱落差，並降低膨脹末段的濕度，改善效率及葉片工作的可靠性。

解題方法

先用「相同壓力下，蒸汽實際溫度是否高於飽和溫度」定義過熱蒸汽，再從蒸汽輪機的膨脹過程，分別說明過熱蒸汽對做功、效率、排汽濕度與設備運轉的影響。

蒸汽輪機的理想比功可用進、出口焓差表示：

其中 $h_1$ 為汽輪機入口蒸汽焓，$h_2$ 為出口蒸汽焓。提高入口狀態的過熱度，通常可提高初始焓，並使蒸汽膨脹過程中較晚進入濕蒸汽區。

一、過熱蒸汽的定義

在給定壓力下，若蒸汽溫度高於該壓力所對應的飽和溫度，該蒸汽稱為過熱蒸汽。其過熱度為：

其中 $T$ 是蒸汽實際溫度，$T_{\mathrm{sat}}$ 是該壓力下的飽和溫度。過熱蒸汽不再與液態水處於飽和狀態的相平衡。

二、船舶主機使用過熱蒸汽的原因

1. 增加汽輪機可用焓降與輸出功 在適當的鍋爐壓力及汽輪機排汽壓力下，過熱蒸汽可提高入口焓，通常增加汽輪機膨脹過程的可用焓降，使單位質量蒸汽能產生較多功。若要求相同功率，則可減少蒸汽消耗量，提升主機熱效率。

核心觀念

本題比較船舶燃氣渦輪機與柴油機的推進性能，重點是燃氣渦輪機的燃油經濟性較差、耗油率較高。柴油機以壓縮點火、間歇燃燒方式運轉；燃氣渦輪機則須持續燃燒，並以大量空氣供應燃燒與渦輪膨脹做功。在船舶常見的部分負載工況下，燃氣渦輪機效率下降較明顯，因此相較柴油機通常需要消耗更多燃油。

解題方法

依題目三段配分，分別回答「缺點」、「成因」與「克服方法」，並將改善方式連結到燃氣渦輪機的工作原理。

1. **缺點：**燃氣渦輪機的燃油消耗率較高，尤其在部分負載運轉時，燃油經濟性通常不如柴油機。
2. **原因：**燃氣渦輪機的壓縮機會消耗大量渦輪輸出功；部分負載時，壓縮機仍須維持較高轉速與較大的空氣流量，但輸出功下降，淨輸出功因而減少，單位輸出功所需燃油增加。此外，渦輪排氣仍帶有相當熱能，未回收時也造成能量損失。
3. 克服方法：採用回熱循環（recuperated/regenerative cycle）。將渦輪排氣導入回熱器，用排氣熱量預熱壓縮機出口的高壓空氣，再送入燃燒室。如此可減少燃燒室為達到渦輪入口溫度所需加入的燃油，降低耗油率、提高熱效率。

核心觀念

本題考查船舶柴油機的壓縮比、活塞衝程對壓縮比與熱效率的影響，以及大型二衝程柴油機採用超長衝程時，轉速為何必須降低。

令：

• $V_s$：活塞排量，即活塞由上死點移至下死點所掃過的容積。
• $V_c$：燃燒室餘隙容積，即活塞位於上死點時，汽缸內仍保留的容積。
• $V_{\mathrm{BDC}}$：活塞位於下死點時的汽缸總容積。
• $V_{\mathrm{TDC}}$：活塞位於上死點時的汽缸容積。

則 $V_{\mathrm{BDC}}=V_s+V_c$、$V_{\mathrm{TDC}}=V_c$。柴油機的壓縮比為下死點容積與上死點容積之比：

解題方法

一、壓縮比的定義（3 分）

壓縮比是汽缸內工作容積在壓縮前、後的比值，也就是活塞位於下死點時的汽缸容積，除以活塞位於上死點時的餘隙容積：

它是容積比，沒有單位。壓縮比愈大，空氣在壓縮行程中被壓縮得愈多，壓縮終點的壓力與溫度通常也愈高。

二、加長衝程如何提高壓縮比與熱效率（7 分）

若汽缸直徑為 $D$、活塞衝程為 $L$，活塞排量為：

代入壓縮比公式：

在汽缸直徑與餘隙容積維持不變時，加長衝程 $L$ 會增加排量 $V_s$，因此提高壓縮比 $r$。柴油機在壓縮行程中壓縮汽缸內的空氣；壓縮比提高，壓縮終點的空氣溫度升高，有利於燃油噴入後自行著火。

理想空氣標準循環的熱效率可用下式說明壓縮比的影響：