Als Gasturbine bezeichnet man allgemein eine Anlage, die aus Verdichter, Brennkammer, Expansionsteil sowie eventuell Luftvorwärmer und Kühler besteht. Die Turbine im engeren Sinne ist nur der Expansionsteil der Anlage. Die Nutzleistung der Gesamtanlage kann über eine Kupplung von der Maschinenwelle zum Antrieb elektrischer Generatoren, industriell genutzter Kompressoren oder sonstiger schnelllaufender Arbeitsmaschinen abgegeben werden.
Eine Gasturbinenanlage mit offenem rechtslaufenden Joule-Prozess (englisch: Brayton cycle) saugt Luft als Arbeitsmittel unmittelbar aus der Umgebung an, um sie anschließend in einem Turbokompressor zu verdichten (technisch üblich 6 bis 40 bar). Die verdichtete Luft gelangt in die Brennkammer, wo der eingesetzte Brennstoff direkt im Luftstrom bei annähernd konstanten Druck verbrennt. Das heiße Verbrennungsgas wird anschließend in der Turbine auf Umgebungsdruck entspannt und strömt schließlich in die Umgebung aus.
Der Joule-Prozess (englisch: Brayton-cycle) als Vergleichsprozess für Gasturbinen modelliert die tatsächlichen Abläufe mit folgenden Vereinfachungen:
- reversibler Prozessverlauf für perfektes Gas (= ideales Gas mit konstanten spezifischen Wärmekapazitäten, deshalb auch Isentropenexponent κ = konstant)
- ideale thermische Isolierung von Verdichter, Brennkammer und Turbine gegenüber Umgebung
- Vernachlässigung der strömungsbedingten Druckverluste
- keine Berücksichtigung der in der Brennkammer eintretenden stofflichen und mengenmäßigen Änderung des Arbeitsmittels
Eine nach untenstehender Abbildung beschriebene Gasturbinenanlage ist ein offenes System. Die thermodynamischen Untersuchungen im Joule-Prozess als maßgeblichen Vergleichsprozess gehen aber von einem geschlossenen System aus, in dem Luftansaugung und Abgasleitung kurzgeschlossen sind und die Wärme nicht durch innere Verbrennung in der Brennkammer entsteht, sondern dem System von außen zugeführt werden muss. Auch die Wärmeabfuhr wird als Wärmeentzug des zirkulierenden Arbeitsmittels aufgefasst, tatsächlich erfolgt ein Tausch von heißem Abgas gegen frische Umgebungsluft. Es gibt allerdings auch einige wenige Gasturbinenanlagen, die als Anlagen mit einem geschlossenen Kreislauf konzipiert sind. Diese Versuchsanlagen arbeiten mit anderen Arbeitsmitteln als Luft. Wärmezufuhr und –abfuhr erfolgen über Wärmeübertager.
Als thermodynamischer Vergleichsprozess geht der reversible Joule-Prozess stets von einem konstant bleibenden durchgesetzten Massenstrom aus. Deshalb kommt man bei der Analyse auch bei dem zu- und abgeführten Wärmen, der erforderlichen Verdichterarbeit und der freiwerdenden Turbinenarbeit sowie der jeweils resultierenden Kreisprozessarbeit (Nutzarbeit) mit massenspezifischen Größen aus. Für die reale Anlage sind Massenstrombilanzen erforderlich. Im Verdichter wird ein Luftmassenstrom angesaugt, in der Brennkammer tritt der Brennstoffmassenstrom hinzu.
