브레이턴 사이클(Brayton cycle)은 미국의 공학자 조지 브레이턴(George Brayton, 1830~1892)의 이름을 딴 열역학 사이클로, 공기 또는 기타 기체를 작동 유체로 사용하는 열기관의 작동 원리를 설명한다. 줄 사이클(Joule cycle)이라고도 불린다. 이 사이클은 등엔트로피 압축 및 팽창, 그리고 등압 열 공급 및 방출을 특징으로 하며, 실제 엔진에서는 등엔트로피 대신 단열 과정에 가깝게 작동한다.
브레이턴 사이클은 크게 개방 사이클(open cycle)과 폐쇄 사이클(closed cycle)의 두 유형으로 구분된다. 개방 사이클에서는 대기 중 공기를 흡입하여 압축, 가열, 팽창의 과정을 거친 후 다시 대기로 배출하며, 내부 연소가 가능하다. 폐쇄 사이클에서는 작동 기체가 엔진 내부에 머무르며, 열교환기를 통해 외부에서 열을 공급받고 방출한다. 열역학적 해석의 편의상 개방 사이클도 배출 기체가 다시 흡입되는 것으로 가정하여 폐쇄 사이클로 간주하여 분석하는 것이 일반적이다.
이상적인 브레이턴 사이클은 네 단계의 과정으로 구성된다. 첫째, 압축기에서 작동 유체가 등엔트로피적으로 압축된다. 둘째, 연소기(또는 혼합 챔버)에서 등압 조건 하에 열이 공급된다. 셋째, 터빈(또는 확장기)에서 고온·고압의 기체가 등엔트로피적으로 팽창하며 일을 생산한다. 넷째, 등압 조건에서 열이 외부로 방출된다.
역사적으로 브레이턴은 1872년 "레디 모터(Ready Motor)"라는 왕복동 열기관에 대한 특허를 취득하였다. 이 초기 엔진은 별도의 피스톤 압축기와 피스톤 확장기를 사용하였으며, 압축된 공기가 확장 실린더로 유입될 때 내부 화염에 의해 가열되는 방식이었다. 이후 브레이턴은 1874년 연료를 확장기 직전에 주입하는 방식으로 설계를 개선하여 폭발 문제를 해결하였고, 등유 및 중유와 같은 중질 연료를 사용할 수 있게 되었다. 한편, 이와 유사한 원리는 이미 1791년 영국의 존 바버(John Barber)가 왕복동 압축기와 터빈 확장기를 결합한 엔진으로 특허를 출원한 바 있다.
현대에 이르러 브레이턴 사이클의 가장 보편적인 응용 분야는 가스 터빈 엔진과 공기 흡입식 제트 엔진이다. 항공기 추진, 발전용 가스 터빈, 그리고 복합 화력 발전(combined cycle power generation) 등에서 핵심적인 열역학적 기반으로 활용된다. 또한 브레이턴 사이클은 랭킨 사이클(Rankine cycle)과 결합된 복합 사이클 발전에서도 중요한 역할을 하며, 가스 터빈의 배기열을 증기 터빈에 공급함으로써 전체 시스템의 열효율을 높이는 방식으로 응용된다.
브레이턴 사이클의 열효율은 압축비(compression ratio)에 크게 의존하며, 이론적으로 압축비가 높을수록 효율이 증가한다. 실제 엔진에서는 터빈 입구 온도의 제한, 압축기 및 터빈의 비가역적 손실, 그리고 재생(regeneration), 중간 냉각(intercooling), 재열(reheating) 등의 기법을 통해 효율 향상을 도모한다.
