Ciclul Brayton, cunoscut și sub numele de ciclul Joule , este un ciclu termodinamic după care funcționează anumite motoare termice care au aer sau alte gaze ca fluid de lucru. Este caracterizat prin comprimarea și destinderea izentropice și prin schimburi de căldură izobare. Motoarele reale au comprimarea și destinderea adiabatice în loc să fie izentropice.
Există două tipuri principale de cicluri Brayton: închis și deschis.
Cea mai comună aplicație actuală este la motoarele cu reacție din aviație și la turbinele cu gaze.
Istoric Un motor care folosea acest ciclu a fost inițial propus și brevetat de John Barber în 1791, folosind un compresor cu piston și un detentor cu turbină, însă nerealizat practic deoarece tehnologia vremii nu-l putea realiza , și netratat teoretic. Ciclul a fost descris de James Prescott Joule în articolul său On the mechanical equivalent of heat din 1850, referindu-se la ciclul motorului cu abur.
În 1872 George Brayton a solicitat un brevet pentru „Ready Motor”, un motor termic cu piston care funcționa având ca agent de lucru un gaz. Motorul era în doi timpi și avea cursă activă (care producea putere) la fiecare rotație. Motoarele Brayton foloseau un compresor cu piston separat și un detentor cu piston, aerul comprimat fiind încălzit de un foc intern înainte de intrarea în cilindrul detentorului. Primele versiuni ale motorului Brayton au fost motoare cu vapori care amestecau combustibilul cu aerul la intrarea în compresor. Drept combustibil se folosea gaz de iluminat. Pentru funcționarea mobilă se folosea combustibil lichid și un carburator de suprafață (aerul trecea pe deasupra lichidului, antrenând vaporii). Amesteul de combustibil și aer era ținut într-un rezervor, apoi era admis în cilindrul de destindere și ars. Pe măsură ce amestecul de combustibil/aer intra în cilindrul de destindere, acesta era aprins de o flacără pilot. Se folosea o sită pentru a împiedica focul să pătrundă („să se întoarcă”) în rezervor. La versiunile timpurii ale motorului, această sită uneori se defecta și se producea o explozie. În 1874, Brayton a rezolvat problema exploziei adăugând combustibilul chiar înainte de cilindrul de destindere. Motorul folosea combustibili mai grei, cum ar fi kerosenul și păcura. Aprinderea rămânea de la o flacără pilot.
Brayton a produs „Ready Motors” pentru diverse sarcini, cum ar fi pomparea apei, acționarea morilor, acționarea generatoarelor și propulsia navală. „Ready Motors” au fost produse din 1872 până în anii 1880; probabil în această perioadă au fost produse câteva sute de astfel de motoare. Brayton a licențiat designul către Simone în Regatul Unit. Au fost folosite mai multe configurații, unele erau cu acțiune simplă, iar altele cu acțiune dublă. Unele aveau balansiere dedesubt, altele aveau balansiere deasupra. Au fost construite atât modele orizontale, cât și verticale. Puterile variau de la mai puțin de unu până la peste 40 HP. Afirmațiile vremii susțineau că motoarele funcționau fără probleme și aveau un randament rezonabil.
Motoarele cu ciclu Brayton au fost printre primele motoare cu ardere internă utilizate pentru propulsie. În 1875 John Philip Holland a folosit un motor Brayton pentru a propulsa primul submarin autopropulsat din lume (Holland boat #1). În 1879 un motor Brayton a fost folosit pentru a alimenta un al doilea submarin, Fenian Ram. Submarinele lui Holland sunt păstrate la Paterson Museum din Great Falls, Paterson, New Jersey.
thumb|George B Selden conducând în 1905 un automobil propulsat de un motor Brayton În 1878 George B. Selden a brevetat primul automobil cu ardere internă. Inspirat de motorul cu ardere internă inventat de Brayton, expus la Expoziția Centenară din Philadelphia în 1876, Selden a brevetat o versiune mai mică, mai ușoară, cu mai mulți cilindri, care funcționa pe o mașină cu patru roți. Apoi a depus o serie de modificări la cererea sa, ceea ce a prelungit procesul legal, rezultând o întârziere de 16 ani până la brevetare, brevetul fiindu-i acordat la 5 noiembrie 1895. În 1903 Selden a dat în judecată Ford pentru încălcarea brevetului, iar Henry Ford a contestat brevetul Selden până în 1911. Selden nu produsese niciodată o mașină funcțională, așa că în timpul procesului, două mașini au fost construite conform desenelor brevetului. Ford a susținut că mașinile sale foloseau ciclul Otto în patru timpi, nu ciclul Brayton, folosit în automobilul Selden. Ford a câștigat apelul în cazul inițial.
În 1887 Brayton a brevetat un motor în patru timpi cu combustibil lichid cu injecție directă. Sistemul de alimentare utiliza o pompă de înaltă presiune care injecta o cantitate variabilă de combustibil lichid pulverizat. Lichidul era forțat printr-o supapă de siguranță cu arc, care pulveriza combustibilul în picături mici. Injecția avea loc la sau în apropierea vârfului cursei de comprimare. O bujie incandescentă cu sârmă de platină constituia sursa de aprindere. Brayton descrie invenția astfel: „Am descoperit că uleiurile grele pot fi pulverizate mecanic în picături fine într-o porțiune de ardere a cilindrului sau într-o cameră de ardere comunicantă.” O altă parte spune: „Pentru prima dată, din câte știu, am reglat turația prin controlul variabil al descărcării directe a combustibilului lichid în camera de ardere sau cilindru într-o stare fin divizată, foarte favorabilă arderii imediate.” Acesta a fost probabil primul motor care a folosit un sistem de ardere cu amestec sărac pentru a regla turația și puterea motorului. Astfel motorul avea o fază de ardere în fiecare cursă activă, iar turația și puterea erau controlate exclusiv de cantitatea de combustibil injectată.
În 1890 Brayton a brevetat un motor cu combustibil lichid în patru timpi, cu injecție pneumatică. Sistemul de alimentare furniza o cantitate variabilă de combustibil vaporizat în axa cilindrului sub presiune în sau în apropierea vârfului cursei de comprimare. Sursa de aprindere era o bujie incandescentă cu sârmă de platină. O pompă de injecție furniza o cantitate variabilă de combustibilul către un injector, unde era amestecat cu aer pe măsură ce intra în cilindru. Un mic compresor acționat de arborele cotit asigura sursa de aer comprimat necesar injecției. Acest motor folosea și sistemul de ardere cu amestec sărac.
Rudolf Diesel a propus inițial un ciclu cu raport de comprimare foarte mare, cu ardere la temperatură constantă, în care temperatura datorită comprimării ar depăși temperatura de autoaprindere, dar după câțiva ani de experimente și-a dat seama că ciclul la temperatură constantă nu ar funcționa într-un motor cu piston. Motoarele diesel timpurii foloseau un sistem de injecție pneumatică, inițiat de Brayton în 1890. De fapt, aceste motoare timpurii aveau arderea la presiune constantă.
Și turbinele cu gaze au evoluat în acea perioadă: 1791 – primul patent de turbină cuu gaze (John Barber, Regatul Unit); 1904 – turbină cu gaze nefuncțională proiectată de Franz Stolze din Berlin (primul compresor axial); 1906 – turbina cu gaze Armengaud–Lemale în Franța (cu compresor centrifugal, nu a generat putere); 1910 –prima turbină cu gaze cu ardere intermitentă (turbina cu gaze Holzwarth, 150 kW, ardere la volum constant); 1923 – prima turbosuflantă de supraalimentare a motoarelor diesel; 1939 – avionul Heinkel He 178 propulsat cu un turboreactor, primul zbor cu un avion cu reacție. Instalație de tip Neuchâtel cu cazan Velox și compresor și turbină proiectate de Aurel Stodola, realizată de Brown-Boveri, Elveția.
Ciclul Brayton ideal Ciclul Brayton ideal este format din patru transformări termodinamice (v. figura următoare): 1–2: transformare izentropică, în care aerul aflat la presiunea mediului ambiant este comprimat până la presiunea înaltă a ciclului; 2–3: transformare izobară, în care combustibilul este ars la presiunea înaltă a ciclului, constantă, încălzind gazele de ardere, care-și măresc volumul; 3–4: transformare izentropică, în care gazele de ardere fierbinți se destind până la presiunea mediului, producând lucru mecanic, din care o parte este folosit în faza de comprimare; 4–1: transformare izobară, în care căldura gazelor de ardere este evacuată în mediul ambiant la presiunea mediului.
Ciclul Brayton poate fi de două tipuri: deschis și închis. Într-un ciclu închis, gazul de lucru rămâne în interiorul motorului. Căldura este introdusă cu un schimbător de căldură și este evacuată tot printr-un schimbător de căldură. În ciclul deschis, aerul din atmosferă este aspirat, trece prin trei faze ale ciclului și este evacuat în atmosferă. Ciclurile deschise permit existența motoarelor cu ardere internă. Deși ciclul este deschis, se presupune, în mod convențional, în scopul analizei termodinamice, că gazele evacuate sunt reutilizate la admisie, permițând o analiză la fel cu cea a unui ciclu închis.
Un ciclu Brayton deschis poate fi realizat cu doar trei componente: compresorul, camera de ardere și turbina cu gaze (detentorul). Deși Brayton fabrica doar motoare cu piston, motoarele Brayton moderne sunt aproape întotdeauna de tip turbină. În motorul Brayton original din secolul al XIX-lea, aerul era aspirat într-un compresor cu piston, unde era comprimat, ideal într-un proces izentropic. Aerul comprimat trecea apoi printr-o cameră de amestecare unde se adăugă combustibil, un proces izobar. Amestecul de aer sub presiune și combustibil era apoi aprins într-un cilindru de destindere, iar energia era eliberată, determinând gazele de ardere să se destindă, deplasând un piston, un alt proces ideal izentropic. O parte din lucrul mecanic extras de piston era utilizat pentru a acționa compresorul printr-un arbore cotit.
720pxCiclul Brayton ideal. Compresor, cameră de ardere și turbină. Diagramele p–v și T–s.p = presiune, v = volum, T = temperatură, s = entropie, q = căldura intrată sau evacuată.
Randamentul termic al ciclului Brayton ideal Randamentul termic al ciclului Brayton ideal este:
unde este coeficientul de transformare adiabatică.
Randamentul ciclului depinde doar de raportul de comprimare Figurile următoare arată cum variază randamentul ciclului cu raportul presiunilor, respectiv cum variază puterea specifică (pentru un debit de combustibil unitar) în funcție de temperatura înaintea turbinei pentru rapoartele de comprimare 5 și 15 și temperatura mediului de 298K (25). În general, creșterea raportului de comprimare este cel mai direct mod de a crește puterea totală de ieșire a unui sistem Brayton. Lester C. Lichty, Combustion Engine Processes, 1967, McGraw-Hill, Inc., Library of Congress 67-10876
Cea mai ridicată temperatură a gazului din ciclu apare la intrarea în turbină, ceva mai mică decât temperatura locală din flacăra din camera de ardere. Temperatura maximă a ciclului este limitată de materialele turbinei și de durata de viață necesară a turbinei. Acest lucru limitează, de asemenea, rapoartele de presiune care pot fi utilizate în ciclu. Pentru o temperatură fixă la intrarea turbinei, lucrul mecanic ciclic crește odată cu raportul de comprimare (deci și randamentul termic). La un lucru mecanic ciclic mai mic ar fi necesar un debit masic mai mare (deci un sistem mai mare) pentru a obține aceeași putere produsă, ceea ce poate să nu fie economic. În majoritatea modelelor comune, raportul de comprimare al unei instalații cu turbină cu gaze variază de la aproximativ 11 la 16.Çengel, Yunus A., and Michael A. Boles. "9-8." Thermodynamics: An Engineering Approach. 7th ed. New York: McGraw-Hill, 2011. 508-09. Print. Cele mai mari rapoarte de comprimare, de 50, se întâlnesc la motoarele turboventilator Rolls-Royce Trent XWB, moderne.
Ciclul Brayton real thumb|Ciclul Brayton real (albastru) față de cel ideal (negru)