109 年 國立成功大學系統及船舶機電工程研究所丙組《輪機工程》

本題主要考查離心泵在實際應用中，為了克服離心泵的特性曲線以及確保系統穩定運行而可能需要額外配置的其他泵類，以及其原因與使用時機。

核心觀念：離心泵的啟動與運轉特性、系統需求。

離心泵在啟動前需要將泵殼及吸入管路充滿液體，以排除空氣，這種操作稱為「灌引水」（Priming）。如果泵的位置低於液面，重力可以幫助充滿液體。但若泵的位置高於液面，則需要額外的裝置來完成灌引水。此外，離心泵在低流量或零流量下運轉時，可能會因過熱而損壞。

為了解決上述問題，離心泵系統通常會額外附加以下兩種泵，或採用特定設計：

1. 自吸泵 (Self-Priming Pump)：
   • 原因：一般的離心泵不具備自吸能力，也就是說，在泵殼內充滿空氣時，葉輪高速旋轉無法產生足夠的壓力差將液體吸上來。自吸泵內部設計有特殊的結構（例如：內部循環水腔或回流裝置），可以在啟動時利用少量預先儲存的水，藉由葉輪的旋轉，將泵內的空氣排出，並在吸入管路內形成真空，進而將液體吸入。
   • 使用過程：
     • 啟動前，自吸泵的內部循環水腔內已有足夠的水。
     • 啟動葉輪旋轉，水在葉輪作用下被甩出，在泵殼內形成低壓區，同時將泵殼內的空氣帶走。
     • 空氣被排出後，吸入管路內的壓力降低，液體從水源被吸入泵殼。
     • 一旦液體充滿泵殼，自吸泵就如同一般的離心泵一樣開始正常工作。
     • 在運轉過程中，如果泵暫時停止，但泵殼內仍有水，則下次啟動時可直接進入正常運轉。若泵殼內的水因洩漏等原因變少，自吸泵會自動重新進行自吸過程。

本題考查鍋爐通風的目的，以及水管式鍋爐中常用的強制通風方式及其原因。

核心觀念：燃燒過程對空氣的需求、鍋爐的熱交換效率、不同通風方式的優缺點。

鍋爐通風的目的

鍋爐通風（或稱送風與排煙）的主要目的是為了確保燃料的完全燃燒，並將燃燒產生的廢氣有效排出鍋爐。具體而言，其目的包括：

1. 供給燃燒空氣：燃料燃燒需要足夠的空氣（氧氣）來進行。通風系統負責將新鮮空氣送入燃燒室，以支持燃料的有效燃燒。
2. 維持適當的空氣燃燒比：過多的空氣（過量空氣）會降低燃燒溫度，增加排煙熱損失，降低鍋爐效率。過少的空氣則導致燃料不完全燃燒，產生一氧化碳（CO）和碳煙（soot），降低熱效率並可能造成污染。通風系統的設計和控制旨在提供最佳的空氣量。
3. 排除燃燒產生的廢氣：燃燒會產生二氧化碳（CO₂）、水蒸氣、氮氣、以及少量未完全燃燒產物（如CO、SO₂、NOx等）和灰塵。通風系統（特別是排煙部分）負責將這些廢氣從燃燒室和煙道中排出，防止其在爐內積聚，影響燃燒並可能腐蝕設備。
4. 控制燃燒室內的壓力：通風系統的設計會影響燃燒室內的壓力。通常，燃燒室內應維持略低於大氣壓力的負壓，以防止燃燒氣體從爐壁縫隙洩漏到鍋爐房。
5. 輔助熱交換：煙氣流動的速率和路徑會影響鍋爐受熱面的換熱效率。適當的通風有助於煙氣與受熱面充分接觸，提高熱傳遞效率。

目前水管式鍋爐所採用的強力通風方法

目前，水管式鍋爐（尤其是大型工業和船舶用鍋爐）普遍採用**強制通風（Forced Draft, FD）或加壓通風（Balanced Draft, BD）**系統。其中，**強制通風（Forced Draft, FD）**是最為常見和典型的強力通風方法。

• 強制通風 (Forced Draft, FD)：
  • 系統組成：在強制通風系統中，使用一個或多個送風機 (Forced Draft Fan, FD Fan)，將新鮮空氣從外界吸入，經過空氣預熱器（如果有的話），然後加壓送入燃燒室。通常，還會配備一個引風機 (Induced Draft Fan, ID Fan)，負責將燃燒產生的廢氣從煙道中抽出，並通過煙囪排放。
  • 工作原理：送風機將空氣壓入燃燒室，使得燃燒室內的壓力略高於大氣壓力。引風機則將煙氣從煙道抽出，並排入大氣。
  • 優點：
    • 壓力控制穩定：送風機可以精確控制進入燃燒室的空氣量，即使在鍋爐負載變化時也能維持穩定的燃燒。
    • 提高燃燒效率：能夠提供足夠的空氣，確保燃料充分燃燒，尤其是在高負荷或使用較差燃料時。
    • 克服系統阻力：送風機提供的壓力可以克服空氣預熱器、爐膛、煙道等設備的總阻力，確保氣流順暢。
    • 防止煙氣洩漏：由於燃燒室內壓力略高於外界，煙氣傾向於從排煙口（煙囪）排出，而不是從爐壁縫隙洩漏到鍋爐房，從而改善工作環境並減少空氣損失。
  • 缺點：

本題考查往復式活塞引擎的基本幾何參數計算，包括氣缸容積、壓縮比的應用，以及運動學參數的計算。

核心觀念：引擎幾何參數定義、壓縮比公式、衝程與缸徑關係、平均活塞速度公式。

已知條件：

• 氣缸數 (Number of cylinders), $N = 4$
• 衝程數 (Stroke cycle): 四衝程 (4-stroke)
• 總排氣量 (Total displacement volume), $V_D = 600 \text{ cm}^3$
• 引擎轉速 (Engine speed), $n = 3200 \text{ rpm}$
• 壓縮比 (Compression ratio), $r = 9.4$
• 連桿長度 (Connecting rod length), $L = 18 \text{ cm}$
• 衝程與缸徑的關係: 衝程 (Stroke), $S = 1.1 \times \text{缸徑 (Bore)}, D$

計算步驟

首先，我們需要計算單缸的排氣量。
單缸排氣量 (Volume of one cylinder), $V_{cyl} = \frac{V_D}{N}$
$V_{cyl} = \frac{600 \text{ cm}^3}{4} = 150 \text{ cm}^3$

排氣量 $V_{cyl}$ 是指活塞從下死點 (BDC) 運動到上死點 (TDC) 時掃過的體積。這也等於活塞掃掠體積 (Swept Volume)。
$V_{cyl} = V_{swept}$
$V_{swept} = \frac{\pi}{4} D^2 S$

我們知道衝程 $S$ 與缸徑 $D$ 的關係：$S = 1.1D$。
將此關係代入 $V_{swept}$ 公式：
$V_{swept} = \frac{\pi}{4} D^2 (1.1D) = \frac{1.1\pi}{4} D^3$

由於 $V_{swept} = V_{cyl} = 150 \text{ cm}^3$，我們可以解出缸徑 $D$：
$150 = \frac{1.1\pi}{4} D^3$
$D^3 = \frac{150 \times 4}{1.1\pi} = \frac{600}{1.1\pi} \approx \frac{600}{3.45575} \approx 173.63 \text{ cm}^3$
$D = \sqrt[3]{173.63} \approx 5.581 \text{ cm}$

然後計算衝程 $S$：
$S = 1.1D = 1.1 \times 5.581 \approx 6.139 \text{ cm}$

計算 (a) 每缸的餘隙容積 (Clearance Volume)

壓縮比 $r$ 的定義是氣缸總容積 (上死點時的總容積) 與餘隙容積 (上死點時的容積) 的比值。
氣缸總容積 (Total cylinder volume) $= V_{swept} + V_{clearance}$

本題考查往復式活塞引擎的兩種基本工作循環（二衝程與四衝程）的區別，以及它們在不同類型柴油機應用上的選擇原因。

核心觀念：衝程、工作循環、進氣、壓縮、做功、排氣的過程；二衝程與四衝程的優缺點比較；不同引擎類型（大型低速 vs. 高速）的性能需求。

二衝程引擎與四衝程引擎的區別

特性	四衝程引擎 (Four-Stroke Engine)	二衝程引擎 (Two-Stroke Engine)
工作循環	完成一個工作循環需要曲軸旋轉兩圈 (720°)，活塞往復四個行程。	完成一個工作循環只需要曲軸旋轉一圈 (360°)，活塞往復兩個行程。
行程組成	進氣、壓縮、做功、排氣。每個行程對應曲軸轉動180°。	結合了進氣與壓縮、做功與排氣。
進氣/排氣	有獨立的進氣門和排氣門，由凸輪軸控制開閉。	通常沒有獨立的氣門，而是利用活塞運動來開啟或關閉進、排氣口 (Ports)。
潤滑	通常採用獨立的潤滑系統（油底殼、機油泵），機油與燃燒室氣體隔離。	早期多採用混合潤滑（燃油與機油混合），後續發展有獨立潤滑系統，但仍有漏機油進入燃燒室的問題。
效率	熱效率較高，因為有獨立的壓縮和做功行程，燃燒更完全，且沒有氣體損失。	熱效率較低，因為進氣和排氣過程有重疊（掃氣），可能造成部分新鮮燃氣漏失，或未完全燃燒的廢氣殘留。
功率輸出	相較於同等排量，功率輸出較低，因為曲軸每兩圈才做一次功。	相較於同等排量，功率輸出較高，因為曲軸每圈就做一次功，理論上功率是四衝程的兩倍（實際約1.5-1.8倍）。
結構	結構較複雜，有氣門機構、凸輪軸等。	結構較簡單，無氣門機構，製造成本較低。
振動與噪音	運轉較平穩，振動較小，噪音相對較低。	運轉較不平穩，振動較大，噪音較大。
排放	排放較乾淨，因為燃燒更完全，機油消耗少。	排放較差，容易產生較多碳氫化合物（HC）和煙，因有掃氣漏損和機油燃燒。
應用	汽車、大多數柴油機、摩托車、發電機等。	小型摩托車、鏈鋸、割草機、部分船舶輔機、以及大型低速柴油機。

為何大型低速柴油機採用二衝程引擎？

本題考查蒸汽輪機或氣體渦輪機中關鍵組件的作用，特別是針對衝動式和反動式渦輪機的區別。

核心觀念：渦輪機工作原理、能量轉換、蒸汽（或氣體）膨脹、動量轉換、葉片設計。

渦輪機（Turbine）的基本原理是利用流體（如蒸汽或氣體）的動能或壓力能，通過與葉輪（轉子）上的葉片相互作用，將流體的能量轉換為轉子的機械能，進而驅動發電機或其他設備。

(a) 隔板 (Diaphragm)

在多級渦輪機中，隔板的主要作用是：

1. 支撐定葉片 (Nozzle Vanes / Stator Vanes)：隔板是固定在渦輪機殼體內部的一系列結構，用於支撐定葉片。這些定葉片（在衝動式渦輪機中稱為噴嘴，在反動式渦輪機中稱為導葉）是固定不動的，它們的作用是引導蒸汽（或氣體）以最佳角度流向轉子葉片。
2. 密封與分隔：隔板將渦輪機的不同級別（Stage）分隔開來，同時也起到密封作用。在多級渦輪機中，相鄰兩級的轉子之間通常存在間隙，為了防止高壓蒸汽從一級漏到低壓級，隔板的邊緣會與轉子的外徑形成密封（稱為迷宮密封或刷形密封）。這有助於提高渦輪機的效率，減少蒸汽的內漏。
3. 結構支撐：隔板本身也為渦輪機殼體提供了額外的結構支撐，有助於維持渦輪機整體剛性。

(b) 轉子 (Rotor)

轉子是渦輪機中唯一旋轉的部件，也是將流體能量轉換為機械能的核心部件。

1. 承載轉子葉片：轉子由一個或多個葉輪（Wheel or Disc）組成，葉輪上固定有大量的轉子葉片（Moving Blades）。
2. 吸收流體能量：當蒸汽（或氣體）流過轉子葉片時，會對葉片產生衝擊力（衝動式）或反作用力（反動式），這些力矩的總和驅使轉子高速旋轉。
3. 傳遞機械功：轉子的旋轉運動通過軸連接到外部設備（如發電機），從而輸出機械功。

(c) 複速級衝動式渦輪機之定葉片 (Nozzle Vanes in a Multi-Velocity Stage Impulse Turbine)

在衝動式渦輪機中，定葉片通常被設計成噴嘴 (Nozzles) 的形式。在複速級衝動式渦輪機（例如 Curtis 級）中，情況更為複雜：

1. 加速流體並產生動能：衝動式渦輪機的定葉片（噴嘴）的主要作用是將蒸汽的壓力能轉換為動能。蒸汽在通過噴嘴時會發生膨脹和加速，產生高速射流。
2. 引導蒸汽流向：這些噴嘴將加速的蒸汽準確地引導到轉子葉片上，使其以最佳角度衝擊轉子葉片，從而產生最大的衝擊力。
3. 複速級的特殊性：在複速級衝動式渦輪機中，可能有多個轉子級聯，每個轉子後都可能跟隨一個定葉片級（稱為「噴嘴組」或「二次噴嘴」）。
   • 第一級定葉片（主噴嘴）：負責將高壓蒸汽膨脹加速，產生高速蒸汽流衝擊第一級轉子。
   • 第一級轉子：吸收第一級噴嘴產生的部分衝動能。