民國115年 普通考試 輪機技術 船舶主機概要考古題
民國115年 普通考試 輪機技術 船舶主機概要收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
請說明船舶柴油主機渦輪增壓機振動之主要原因。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、定義與分類：船舶柴油主機之渦輪增壓機（turbocharger）由廢氣渦輪、離心式壓縮機、轉軸與軸承組成，轉速極高、內部間隙細小，其振動來源可分為機械性、流體性與結構安裝性三大類。振動過大將造成軸承燒損、葉片疲勞破裂、氣封磨損，甚至增壓機失效而使主機降載，因此振動監測為輪機管理的重要診斷項目。
- 二、機械性原因：主要包括轉子動平衡不良，如葉片積碳、結垢、腐蝕或異物打傷造成質量偏心；轉軸彎曲或熱變形；壓縮機端與渦輪端對心不良；浮動軸承（floating bearing）或滾動軸承磨損、間隙過大；葉輪鎖緊螺帽鬆動；軸封與氣封摩擦。此類振動多與轉速同步，頻率常出現在一階或二階轉速。
- 三、流體性原因：壓縮機喘振（surge）與旋轉失速（rotational stall），常因負荷驟變、進氣濾器堵塞或排氣背壓過高而發生，振動呈低頻週期性；葉片通過頻率（blade passing frequency）激振；進氣流場不均、蝸殼（volute）或擴壓器（diffuser）污損；排氣管脈動與管路共振。此類振動通常隨負荷與轉速改變而變化。
- 四、結構與安裝性原因：增壓機基座或支架剛性不足、固定螺栓鬆動、隔振器（vibration isolator）老化；機體與主機或船體結構發生共振；進排氣管路支撐不當、膨脹接頭失效；主機扭振或燃燒爆震經排氣傳遞。此外，潤滑油壓力不足或油品劣化造成油膜不穩，亦會引發次同步振動（oil whirl）。
- 五、診斷與對策：以振動頻譜分析、相位量測與包絡分析判別故障頻帶，並配合油液分析、軸承間隙與對心檢查。對策包括轉子動平衡校正、重新對心、更換軸承與密封、清洗葉輪、調整進排氣系統與背壓、避開共振轉速區，並落實定期振動監測（condition monitoring）與保養紀錄，以早期發現異常。
就工作原理而言，請比較四行程與二行程柴油機之特點。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、比較基準：四行程柴油機每完成一個工作循環需曲軸轉兩轉、活塞行經四個行程；二行程柴油機僅需曲軸轉一轉、活塞兩個行程。兩者同屬壓燃式（compression ignition）內燃機，主要差異在換氣方式、工作循環安排與單位排氣量所能輸出之功率。
- 二、四行程之工作原理與特點：依進氣、壓縮、燃燒膨脹（動力）、排氣四行程依序進行，進排氣閥由凸輪軸驅動。其換氣時間充分、掃氣損失小、殘留廢氣少，容積效率與燃油消耗率較佳，熱負荷較低、排放較易控制；但因每兩轉才爆發一次，單位排氣量功率較低，且零件較多、重量體積較大、造價與維護成本較高。
- 三、二行程之工作原理與特點：活塞下行時掃氣口與排氣口（或排氣閥）開啟，以掃氣空氣將廢氣驅出並同時充氣；活塞上行關閉氣口後進行壓縮，上死點前噴油燃燒膨脹作功。每轉一次動力行程，功率密度高、運轉較平穩、構造簡單；惟換氣時間短，易生掃氣短路與廢氣殘留，燃油消耗率與排放較差，熱負荷較高。
- 四、主要差異比較：功率重量比以二行程較高；容積效率與部分負荷燃油消耗以四行程較佳；掃氣型式二行程有橫流、迴流與單流掃氣，四行程則靠氣閥換氣；二行程多配合極長行程與高壓增壓，四行程轉速較高。起動、換向與維護方面，二行程大型機多採直接換向，四行程則常用於發電與中小型推進。
- 五、應用與限制：大型低速二行程柴油機因可直接驅動螺旋槳、燃用劣質燃油，為商船主機主流；中高速四行程機則廣泛用於發電機組、渡輪與中小型船舶。現代二行程機以長行程、單流掃氣、電子控制排氣閥與高壓共軌噴射改善換氣與排放，四行程機則以渦輪增壓與廢氣再循環提升效率。
試分別繪製封閉式布萊登循環（Brayton cycle）的溫度-熵圖與壓力-容積
圖，並說明各個理想過程。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、循環定義與假設：封閉式布萊登循環（closed Brayton cycle）係定量工作流體在閉合迴路中循環，依序流經壓縮機、加熱器、渦輪與冷卻器。理想化採空氣標準假設：工作流體為理想氣體、比熱固定、壓縮與膨脹為可逆絕熱（等熵）、加熱與放熱為等壓過程，並忽略管路壓降與動能變化。
- 二、溫度-熵圖（T-s diagram）之繪製：橫軸為熵 s、縱軸為絕對溫度 T。1→2 為等熵壓縮，呈垂直上升線，熵不變而溫度由 T1 升至 T2；2→3 為等壓加熱，呈向右上傾斜曲線，溫度升至 T3、熵增加；3→4 為等熵膨脹，呈垂直下降線至 T4；4→1 為等壓放熱，呈向左下傾斜曲線回到狀態 1。封閉曲線 1-2-3-4 所圍面積即淨輸出功，兩條等壓線向右上傾斜且高壓線位於上方。
- 三、壓力-容積圖（P-V diagram）之繪製：橫軸為比容 v、縱軸為壓力 p。1→2 為壓縮過程，壓力由 p1 升至 p2、容積減小，曲線陡升；2→3 為等壓加熱，壓力維持 p2、容積由 v2 增至 v3，呈水平向右直線；3→4 為等熵膨脹，壓力由 p2 降至 p1、容積增大，曲線下降；4→1 為等壓放熱，壓力維持 p1、容積由 v4 減至 v1，呈水平向左直線。順時針封閉面積代表淨輸出功。
- 四、各理想過程之意義：1→2 壓縮機消耗功，2→3 加熱器加入熱量，3→4 渦輪輸出功，4→1 冷卻器排出熱量；淨功等於渦輪功減壓縮機功。其熱效率可表為 η=1−T1/T2=1−1/rp^((k−1)/k)，其中 rp 為壓比、k 為比熱比，顯示壓比愈高、效率愈佳；若增設回熱器（regenerator）利用排氣餘熱，可再提升效率。
- 五、繪圖提醒：作答時應標明四個狀態點、箭頭方向、座標軸名稱與單位，並註明 p1、p2 兩條等壓線及 1-2、3-4 兩條等熵線；T-s 圖須呈現兩條向右上傾斜之等壓線，P-V 圖須呈現兩條水平等壓線，且高壓等壓線在 P-V 圖上位於上方、在 T-s 圖上位於右上方，避免將等壓線誤繪為水平或垂直。
在衝動式渦輪蒸汽機中，當蒸汽流經噴嘴與動葉片時，試繪簡圖說明其
壓力與速度之變化。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、基本原理：衝動式渦輪（impulse turbine）之蒸汽僅在噴嘴（nozzle）中膨脹降壓、增速，進入動葉片（moving blade）後，因葉片通道截面不變，理論上不再膨脹，反動度（degree of reaction）為零，主要靠蒸汽動量方向改變所產生之衝擊力推動葉輪作功。
- 二、簡圖結構描述：圖中左側繪製收縮-擴張形噴嘴，蒸汽自高壓端進入；噴嘴出口正對裝置於轉輪（rotor）上的動葉片，葉片呈彎曲通道、等截面；下方繪出速度三角形，標註 U 為葉片圓周速度、V1 與 V2 為進出口絕對速度、Vr1 與 Vr2 為相對速度，以及絕對速度角 α 與相對速度角 β，並以箭頭標示蒸汽流向。
- 三、壓力變化：蒸汽在噴嘴中由進口壓力 p0 降至出口壓力 p1，完成主要之降壓膨脹；進入動葉片後，因通道截面不變且無再膨脹，壓力近似維持 p1，僅因摩擦與渦流損失而略微下降，出口壓力 p2 約等於 p1。故整級之壓力降幾乎全部發生於噴嘴，動葉片前後可視為等壓。
- 四、速度變化：蒸汽在噴嘴內由初速 C0 急速增至出口絕對速度 V1，速度大幅提升；進入動葉片後，相對速度 Vr1 轉為 Vr2，因葉片摩擦略為減小，絕對速度則由 V1 降至 V2，動量變化即為葉片所受衝擊力來源。每單位質量作功可表為 w=U(Vw1−Vw2)，速度三角形愈扁平、圓周方向分速度變化愈大，作功愈多。
- 五、多級配置與繪圖提醒：單級衝動式因速度比過大，出口餘速損失顯著，故常採速度複式（velocity compounding）或壓力複式（pressure compounding）分級，使各級速度三角形相近而效率提高。繪圖時須標明噴嘴形狀、葉片彎曲方向、蒸汽流向箭頭、各點壓力與速度符號，並提醒依上述結構與標註完成簡圖。