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燃气轮机循环
gas turbine cycle
由绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压冷却 4个过程组成的燃气轮机热力循环。也曾有过等容加热循环的燃气轮机，但没有得到推广应用。
循环过程 图1 [燃气轮机简单循环（开式）]为燃气轮机的简单循环。燃气轮机自大气吸入空气，在压气机（即压缩机）中压缩。压缩后的气体进入燃气轮机燃烧室，在此加入燃料燃烧加热。加热后的高温燃气进入燃气透平（以下简称透平）膨胀作功。膨胀后的燃气排向大气。透平排气温度还相当高（约400～550℃），而压气机吸入的空气是大气温度，相当于在大气中进行了冷却。上述四个过程都是连续地进行的。透平膨胀功扣去压气机消耗的压缩功之后的净功，作为燃气轮机的输出功。
循环指标 燃气轮机输出功与加热过程消耗的热量之比称为循环效率,它是评价循环的首要指标。每千克气体工质的输出功L称为比功。L是影响燃气轮机尺寸的重要因素，也是循环的一项指标。
理想循环 压缩终了压力 2与压缩起始压力1之比2/1＝称为压缩比。膨胀起始压力3与膨胀终了压力4之比3/4＝称为膨胀比。
理想情况下,4=1 ，3=2,所以＝。若膨胀过程的与压缩过程的相等,并且膨胀起始温度（燃气初温）T3 等于压缩终了温度T2,则膨胀功等于压缩功,但这时没有输出功。因此，在理想情况下压缩过程所消耗的压缩功可以在膨胀过程中全部收回。
对于理想循环，不变时，膨胀功与T3 成正比，加热提高T3,使T3 高于T2，于是膨胀功就大于压缩功而获得输出功。不变时压缩功也不变，输出功正比于加热量，因而T3的变化对无影响。变化时,既影响压缩功，又影响膨胀功，因此理想循环的效率与有关；随着的增大而提高。若=1，膨胀功和压缩功都为零，不论加热量多大、T3多高，输出功和效率都是零。
实际循环 实际上，压气机效率和透平效率都不是100％，这就使得压缩功比理想情况下的大,膨胀功比理想情况下的小，并且加热和冷却过程都有压力损失，即3 ＜24＞1,因而＜。这进一步导致压缩功增大，膨胀功减小。因此，输出功和循环效率都比理想循环的小。提高压气机效率和透平效率、减小压力损失，可向理想循环趋近。这是提高循环效率的一种途径。
实际循环中，压缩后的气体如不加热提高温度，仍保持T3=T2，则膨胀功必小于压缩功。因而必须加热气体，把T3 提高到足够的数值，才能使膨胀功大于压缩功而得到输出功。燃气轮机发展的初期T3 不高，而压气机效率和透平效率又很低，曾出现过输出功很小、循环效率很低，甚至输出功是负的情况。
在实际循环中，T3 越高、加热量利用率越好。所以不变时，T3 越高、也越高，即理想循环中与T3无关的结论不适用于实际循环。燃气初温与压气机进口温度之比 T3/T1＝，称为温比。热力学分析指出，实际循环效率首先取决于温比，越高，也越高；其次还与有关(图2[实际循环效率的变化])，在同一个值下，随着的增长，先是增长，到某一极值后下降。每一个都有一个能使 达到最高值的最佳与之对应。越大，对应的最佳也越大。
由图2[实际循环效率的变化]可知，提高值对增高有重要作用。因此，设法增高T 3 （即增高）来提高，始终是燃气轮机发展中最重要的研究课题之一。随着高温材料和透平叶片冷却技术的进展，70年代末燃气初温最高已达1200℃。上述循环的效率已达38％。实际循环分为开式和闭式两种。
开式循环 这种循环从大气中吸入新鲜空气，同时把废气排向大气。绝大多数燃气轮机都是开式循环的。
① 简单循环:由一个压缩过程、一个加热过程、一个膨胀过程和一个冷却过程所组成的循环。这种循环最为简单。
② 回热循环：简单循环中，透平排气温度 T4 仍相当高，带走大量热量。而一般情况下压气机出口空气温度T 2比T4低很多。让透平排气通过回热器(即换热器)先把压气机出口的空气加热，然后空气再进入燃烧室（图3[燃气轮机回热循环（开式)]），则在燃气初温不变的情况下可以节省燃烧室内加入的热量，从而提高循环效率 。在理想情况下，回热器出口的空气温度T5 可以达到透平排气温度T4的水平。实际上由于有传热温差,T5总是低于T4。可以用回热度[6]=(T5－T2)／(T4－T2)来衡量实际回热接近理想回热的程度。一般 [6]可达0.7～0.9。但是采用回热后压力损失增大，对 有不利的一面。当温差（T4-T2）和[6]都较大，同时因回热而增加的压力损失较小时，采用回热能使 提高较多。反之，则 提高较少，甚至有下降的可能。采用回热还会使同一 下的最佳下降，以便选用 较低的压气机。不过，采用回热会增加机器的质（重）量和尺寸，因而应用不太普遍，但是，汽车用燃气轮机因特别重视 的提高，都采用回热。这种循环也属于开式循环。
③ 复杂循环：在压缩过程中采用中间冷却,在膨胀过程中采用中间再热的循环(图4[燃气轮机复杂循环（开式）])。中间冷却可以减小压缩功,但压缩终了的空气温度降低了，就使加热过程的热量增加。中间再热可以增加膨胀功，但要增多加热量。这两种措施都可以显著地增加比功L，但对效率的改善不明显。在较低、压力损失较大时，可能导致 下降。可是把中间冷却、中间再热和回热结合起来的复杂循环却能大大提高 。不过这样会大大增加机器的质(重)量和尺寸，因而在实践中很少应用。复杂循环也是一种开式循环。
闭式循环 工质循环使用，由透平排出的工质，不再在大气中作等效冷却，而是经冷却器冷却后重新被压气机吸入，再次参加循环过程（图5 [燃气轮机闭式循环]）。压缩后的气体工质在气体锅炉（或加热器）中被加热。闭式循环中，工质可用空气或其他气体。闭式循环的主要缺点是包括气体锅炉在内的换热器尺寸大、成本高和T3 温度低等，因而应用不多。若采用气冷反应堆作为加热气体工质（用He或N2 等）的热源，就组成了核动力闭式循环装置，其效率可高于采用汽轮机的核动力装置。
参考书目
佐藤豪著，王仁译：《燃气轮机循环理论》，机械工业出版社，北京，1983。（佐藤豪著：《ガスタ—じンサィクル》，山海堂，京，1972。）
叶柏生
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