Brayton cycle
简介
燃气轮机装置的理想热力循环，由绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压放热四个可逆过程组成，又称等压加热燃气轮机循环，系美国人G.B.布雷顿 (George B. Brayton)于1872年提出的。简单的燃气轮机装置由压气机、燃烧室和燃气透平三个主要部分组成，见图1(a)。一般常采用“开式循环”，上述四个热力过程的前三个分别在三个主要设备中进行，而第四个过程则在大气中完成，燃气透平的废气直接排往大气。该循环的p-v图和T-s图示于图1 (b)、(c)。
图1 定压加热燃气轮机装置
(a) 装置系统图; (b) p-v图; (c) T-s图布雷顿循环的热效率为
它表示，循环的热效率主要取决于压气机后与压气机前压力的比值——压比π，它的数值越大，循环效率也越高。然而实际的燃气轮机循环的热效率主要由以下几方面的因素决定： 首先是燃气轮机前的温度与压气机前温度的比值，这个比值越高，效率越高;其次，循环的热效率随着压气机效率、燃气透平效率的提高而提高;此外，压比不是越高越好，为了达到高的循环效率，在给定的上述温度比值以及压气机和燃气透平效率的情况下，存在着一个最佳的压比，高于或低于这个压比都会使循环效率降低。
要进一步提高布雷顿循环的热效率，最主要的措施就是采用回热循环。从燃气透平排出的废气一般具有相当高的温度，在排往大气前，可先用来加热从压气机出来的空气，经过加热的空气再送往燃烧室，这样就节约了燃料，提高了循环的效率。图2为回热循环燃气轮机装置的系统图。不难理解，为了充分发挥回热的作用，我们希望废气在回热器中被冷却到尽量低的温度，压缩空气被加热到尽量高的温度。为此，在布雷顿循环中的压缩过程可采用多级压缩，燃气透平的做功过程可采用多级膨胀。把多级压缩、多级膨胀与回热结合起来，就会使布雷顿循环的效率大大提高。当然，这样也就使装置复杂化了。如图3所示，在理想情况下，使用无限多级压缩与膨胀并与完全回热结合，就会达到同温限下卡诺循环的热效率。
图2 具有回热的燃气轮机装置
(a) 系统图;(b) T-s图
图3 具有完全回热和无限多级压缩、无限多级膨胀的燃气轮机循环T-s图