Цикл Брайтона - это прямой газовый изобарный цикл полного расширения, состоящий из двух адиабатных и двух изобарных процессов (рис.1,рис.2).

Цикл Брайтона лежит в основе газотурбинных установок: газотурбинные двигатели, тепловые преобразователи на теплоэлектростанциях, тепловые насосы.

Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить либо внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т.д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Газовые турбины описаны с точки зрения термодинамики в цикле Брайтона, при котором происходят такие процессы: изоэнтропическое сжатие воздуха, реакция окисления при постоянном давлении и изоэнтропическое расширение в турбине с возвратом к начальному давлению. На практике, сила трения и турбулентность вызывают такие процессы как: неизоэнтропическое сжатие при данном общем коэффициенте давлениям - температура на выходе компрессора, выше, чем идеальная. Хотя потеря температуры турбины, необходимая для работы компрессора остается неизменной, коэффициент взаимодействующего давления больше, что уменьшает объем расширения, которое вырабатывает полезную работу. Потери давления при заборе воздуха, в камере сгорания и выпуске уменьшают расширение, необходимое для выработки полезной работы.

Как и для всех циклических тепловых двигателей, чем выше температура сгорания, тем выше коэффициент полезного действия. Ограничивающим фактором являются свойства стали, керамики или других материалов, из которых изготовлен двигатель, и которые должны выдерживать действие тепла и давления. Значительная часть конструкции предназначена для охлаждения составляющих элементов турбины. Большинство турбин могут утилизировать выделяемое тепло, которое в противном случае будет считаться потерей энергии. Рекуператоры это теплообменники, которые передают выделенное тепло сжатому воздуху до сгорания. Конструкции с комбинированным циклом передают отработанное тепло на системы паровых турбин. А при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии отработанное тепло используется для выработки горячей воды. С точки зрения механического строения, газовая турбина считается менее сложной, чем двигатели внутреннего сгорания. Промышленные газовые турбины могут быть разного размера, от мобильной установки, размером с грузовик, до огромных сложных систем. Их применение особенно эффективно (до 60%) когда отработанное тепло с газовой турбины утилизируется на стандартной паровой турбине в ходе комбинированного цикла. Также они могут использоваться при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии, когда выбросы улавливаются горячим паром, который затем используется для отопления зданий или кондиционирования через паровую турбину. Газовые турбины с небольшим циклом, которые используются в электроэнергетике, требуют меньших инвестиций, чем теплоэлектростанции или атомные станции, а также могут быть рассчитаны на выработку маленьких или больших объемов энергии. Фактический процесс сооружения занимает от нескольких недель до нескольких месяцев, по сравнению с годами, которые требуются для сооружения электростанций. Другим важным преимуществом является возможность включения и выключения в течение короткого периода времени, для выработки энергии при пиковых нагрузках. Большие и простые в использовании газовые турбины могут вырабатывать несколько сотен мегаватт энергии и достигать уровня КПД 40 %.Тепловые электростанции (включая те, которые используют горючие вещества или сжигают уголь, бензин или природный газ) не преобразуют всю выделенную энергию в электричество, и происходит потеря избыточного тепла. Улавливая избыточное тепло, теплоэлектроцентрали позволяют увеличить общее использование энергии, в отличие от традиционной выработки, КПД которой составляет 70-90 %. Это обозначает, что для выработки такого же количества полезной энергии будет расходоваться меньше топлива. Теплоэлектроцентрали особенно эффективны, когда тепло можно использовать на месте. Общая полезность уменьшается, когда тепло нужно передавать на большие расстояния. Передача требует наличия тщательно изолированных труб, что является дорогим и неэффективным, в то время как электричество передается по сравнительно простых проводам на гораздо большие расстояния при таких же потерях энергии. Теплоэлектроцентрали традиционно используются в системах центрального отопления в больших городах, на нефтеперерабатывающих заводах, очистительных сооружениях, добыче нефти с искусственным поддержанием энергии пласта и на больших промышленных заводах, которые требуют больших затрат тепла. Независимо от размера, теплоэлектроцентрали вырабатывают то количество энергии, которое требуется для предприятия. Однако, предприятия по добыче нефти с искусственным поддержанием энергии пласта обычно производят значительное количество избыточной энергии.

 

Тепловая энергия солнечного излучения фокусируется в полостном абсорбере, где нагревает жидкий гелий, поступающий из теплообменника. Нагретый газ расширяется в турбине (вверху), вырабатывающей энергию для привода компрессора и генератора. Переменный ток напряжением 10 кВ, вырабатываемый генератором, преобразуется трансформатором в ток напряжением 328 кВ. В рекуператоре газообразный гелий охлаждается, затем поступает в теплообменник, где переходит вновь в жидкое состояние. Жидкометаллический охлаждающий контур рассеивает избыточное тепло в космическое пространство.