民國115年 高考三級 航空器維修 航空發動機基本原理考古題
民國115年 高考三級 航空器維修 航空發動機基本原理收錄考選部官方試題，共 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
依據AC 43-005A 航空器與其發動機、螺旋漿、各項裝備及零組件大修
理、大改裝妥適報告填寫規定：
發動機翻修時距使用率要達多少以上？（5 分）
授權簽證第7 項「簽證恢復可用」人員資格，應符合那些要求？（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 二、兩者區別與紀錄意義：翻修僅將發動機恢復至可用狀態，航空器與發動機總時間仍繼續累計；重建則須符合新件公差與極限，並依核准程序試車，方可視同新品重新起算。此區分影響適航指令（AD）符合性、壽限件（life-limited parts）追蹤及維修計畫排定，故妥適報告之填寫必須明確且可追溯。
- 三、第7項「簽證恢復可用」人員資格（一）檢定證：應持有民航局核發之航空器維修人員檢定證，其類別（機體、發動機、航電）與所簽證之工作性質相符，且檢定證在有效期限內。
- 四、（二）型別訓練與授權：須完成該發動機型別訓練、在職訓練（OJT）及授權程序，並於維修廠手冊（MOE/RSM）核定之授權範圍內簽證；維修廠品保系統應建立並保存授權人員名冊，不得逾越授權範圍。
- 五、（三）紀錄與符合性確認：簽證前須確認工作單、AD/SB符合性、壽限件履歷、獨立檢查（RII）與試車結果均完備，並於維修紀錄上簽名、註明日期及檢定證字號，對維修疏失負相應責任。
發動機基礎理論：（每小題4 分，共20 分）
在機械學中，功的定義為何？
牛頓第三運動定律如何產生航空引擎的推力？
白努利定律（Bernoulli's Principle）在引擎發散形進氣道中的氣流特性
為何？
渦輪風扇發動機的「旁通比（Bypass ratio）」如何定義？
離心式壓縮機（Centrifugal Compressor）的主要優點有那些？
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、功的定義：機械學中功（Work）為力與沿力方向位移之乘積，即 W = F × d × cosθ，單位為焦耳（J）。僅當力使物體產生沿力方向之位移時方作功；若位移垂直於力（如向心力）則功為零。功率（Power）為單位時間所作之功，P = W/t。
- 二、牛頓第三定律與推力：發動機將大量空氣向後加速，對空氣施加向後之力，空氣即對發動機產生等量反向之前向反作用力，是為推力。推力 F = ṁ(Vj − V0) + (Pe − P0)Ae，即動量變化率加壓力差項；推力大小取決於質量流率與排氣速度增量。
- 三、白努利定律於發散形進氣道：進氣道截面漸增（diffuser），依連續方程式流速下降，依白努利定律（Bernoulli's principle）動壓轉為靜壓，壓力上升，稱為衝壓恢復（ram recovery），可提高進氣總壓、降低損失。若擴張過劇或轉折不當，易生邊界層分離而抵銷恢復效果。
- 四、旁通比：渦輪風扇發動機之旁通比（Bypass Ratio, BPR）定義為流經旁通道之空氣質量流率與流經核心引擎（core）之質量流率之比，BPR = ṁbypass / ṁcore。比值愈高，推進效率愈佳、噪音與耗油率愈低，惟風扇直徑、機艙重量與阻力隨之增加。
- 五、離心式壓縮機優點：構造簡單、零件少、單級壓比高、軸向長度短、重量輕、成本低、抗外物損傷（FOD）能力較佳、起動加速反應快，適合小型發動機或輔助動力單元；缺點為正面截面積大、多級效率較低、氣流轉折損失較大。
請論述現代燃氣渦輪引擎如何透過燃燒室的設計，以同時減少氮氧化物
（NOx）與碳微粒（Smoke）的排放污染？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、問題本質與權衡：氮氧化物（NOx）主要屬熱力型，依澤尔多維奇（Zeldovich）機制，生成量與火焰溫度、氧濃度及高溫停留時間呈強烈正相關；碳微粒（smoke）則源於局部富油高溫裂解。傳統單環設計難以兼顧，須以分級、預混與快速混合等手段同時抑制兩者。
- 二、分級燃燒（staged combustion）：採雙環燃燒室（DAC）或TAPS（Twin Annular Premixing Swirler），低功率時僅由外環或值班噴嘴供油，高功率再投入主環並預混，使各工況均維持適當油氣比，避免局部富油生煙與高溫區生成NOx。
- 三、貧油預混預蒸發（LPP）：燃油先經空氣霧化噴嘴充分霧化、蒸發並與空氣均勻混合後再進入火焰區，消除液滴擴散燃燒之熱點，使火焰溫度均勻且較低，可同時降低NOx與煙；惟須防止回火（flashback）與貧油吹熄（lean blowout）。
- 四、富油—快速混合—貧油（RQL）：第一區以富油燃燒抑制NOx生成，中段注入大量空氣快速降溫並燒盡煙前驅物，末段以貧油完成燃燒；關鍵在混合段之快速與均勻，避免長時間停留在接近化學計量比之高溫當量比區。
- 五、冷卻、噴嘴與驗證：以effusion cooling、隔熱塗層（TBC）降低壁溫並減少冷卻空氣用量，使更多空氣參與燃燒；配合可變幾何、主動燃燒控制與出口溫度分佈（pattern factor）量測，確保燃燒效率、壽命與排放法規（ICAO CAEP）符合性。
請說明發動機趨勢監控（Engine Trend Monitoring）的原理，並解釋為何
需要持續記錄N1、N2、EGT 及燃油流量（Wf）等參數的偏差變化
（Deltas）？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、基本原理：發動機趨勢監控係於穩定巡航或指定功率條件下，量取N1、N2、EGT、燃油流量（Wf）、T3、P3等參數，經大氣條件修正（ISA、馬赫數、引氣配置）後，與原廠基線或健康模型比對求得偏差量（deltas），再以統計迴歸繪出趨勢線，作為性能衰退診斷與維修決策依據。
- 二、為何記錄偏差而非絕對值：絕對值隨高度、外界溫度、飛行馬赫數、引氣與功率設定而變，無法直接比較；偏差量已扣除操作與環境效應，僅反映發動機本體健康狀態之變化，故可跨航班、跨季節比較，並可設定門檻值觸發告警。
- 三、EGT偏差：EGT delta上升通常代表熱段（燃燒室、渦輪導葉與葉片）積垢、燒蝕、冷卻孔阻塞或間隙擴大，致效率下降、需更高排氣溫度才能輸出同推力；其斜率可推算EGT margin消耗速率與剩餘在翼壽命。
- 四、N1/N2與Wf偏差：同一推力下N1或N2偏差上升，表示風扇或壓縮機效率下降（積垢、葉尖間隙、侵蝕）；Wf偏差則反映燃油計量與壓縮效率變化。三者交叉比對可定位故障模組（module），避免單一參數誤判。
- 五、應用與限制：可用於延長在翼時間（on-wing time）、安排水洗、預測送修與備料；限制包括感測器誤差、資料點不足、構型更改與個體差異，故須定期更新基線並以試車或孔探結果驗證趨勢判讀。
在渦輪風扇引擎中，燃油控制器（FCU）如何利用「壓縮機排氣壓力（P3）」
以控制引擎加速，並避免在加速過程中發生喘振或熄火？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、P3作為空氣流量訊號：渦輪噴嘴喉部接近壅塞時，空氣質量流率近似與壓縮機出口壓力成正比（Wair ∝ P3/√T3）。燃油控制器（FCU）以P3及T3代表進氣量，據以計算所需燃油量，維持一定油氣比，此即計量供油之基礎。
- 二、加速供油計畫：加速時FCU依加速計畫（acceleration schedule）給油，供油上限隨P3上升而漸增，即 Wf = f(P3)。因P3上升有遲滯，若僅依油門桿位置大量給油，油氣比將瞬間過高，導致富油熄火（rich blowout）、燃燒室超溫或壓縮機喘振。
- 三、防喘振機制：FCU內之加速波紋管（acceleration bellows）比較實際供油與容許供油量，超量時限制供油；並配合加速放氣活門排放高壓空氣、調整可變靜子葉片（VSV）與可變放氣活門（VBV），提高壓縮機喘振裕度，使加速曲線維持在喘振邊界之下。
- 四、減速與其他保護：減速時以減速波紋管（deceleration bellows）限制最小供油，避免貧油熄火；另設最大與最小供油止檔、超速與超溫保護。電子式FADEC則以P3、T3、N2、T2建立供油計畫表並閉環修正，反應更快、精度更高。
- 五、設計要點與限制：P3取樣點須避免壓力脈動與結冰堵塞；加速計畫須兼顧加速時間與喘振裕度，通常以油門瞬推（snap acceleration）試車驗證；不同構型、引氣量與外界條件須予修正，故須以試車資料建立並定期驗證其適用性。