Невысокие значения КПД простых ГТУ в значительной степени объясняются чересчур высокими температурами газа, покидающего газовую турбину и выбрасываемого в окружающую среду. Эта температура в современных ГТУ может составлять 500 °С и более.
Возможно организовать подвод теплоты таким образом, чтобы сначала воздух нагревался за счет теплоты уходящих газов, а затем в камере сгорания за счет сжигания топлива. Подобное использование теплоты уходящих газов в ГТУ называется регенерацией теплоты или просто регенерацией.
На рисунке ниже представлены принципиальная схема (а) и цикл ГТУ (б) с регенерацией теплоты. Из сравнения этой схемы со схемой ГТУ без регенерации видно, что в ней добавлен только регенеративный теплообменник Р, в котором уходящие газы охлаждаются в процессе 4д—6д, нагревая при этом воздух, поступающий в камеру сгорания (процесс 2д—5д).
В действительности воздух в регенеративном теплообменнике нагревается до температуры Т5д, меньшей, чем Т5, а газ охлаждается до температуры Т6д, большей, чем Т6. Такой реальный процесс теплообмена с конечной разностью температур является дополнительной (кроме выделения теплоты трения в компрессоре и турбине) причиной необратимости.
Сравнение двух циклов: 1-2д-3-4д — цикла простой ГТУ без регенерации и такого же цикла ГТУ, но с регенерацией показывает, что введение регенерации повышает внутренний КПД цикла, так как введение регенерации не изменяет величину удельной работы цикла, но уменьшает величину подведенной теплоты q1.
Степень регенерации можно рассматривать как величину, характеризующую необратимость процесса теплообмена в регенеративном теплообменнике: чем больше степень регенерации, тем меньше необратимость и при прочих равных условиях больше внутренний КПД цикла ГТУ. Одновременно с ростом КПД увеличение степени регенерации сопровождается увеличением размеров регенеративного теплообменника; при полной регенерации поверхность теплообмена должна быть бесконечно большой. Увеличение поверхности теплообмена приводит к возрастанию гидравлических потерь в регенеративном теплообменнике и, как следствие этого, к падению давления газа перед турбиной р3 и к росту давления газа за турбиной р4, что должно привести к уменьшению работы турбины, работы ГТУ и внутреннего КПД цикла. Поэтому выбор оптимальной степени регенерации σ осуществляется технико-экономическим расчетом.
Необходимо заметить, что ГТУ с регенерацией обладают и некоторыми недостатками. Так, регенерация с высокими значениями регенерации требует создания громоздких регенеративных теплообменников, которые сводят на нет основные достоинства простых ГТУ — простоту и компактность. Кроме того, при больших степенях регенерации увеличиваются гидравлические потери в процессах подвода и отвода теплоты и уменьшаются величины удельной работы и внутреннего КПД ГТУ. Хотя регенерация теплоты уходящих газов может улучшить КПД ГТУ, указанные недостатки сдерживают развитие установок, созданных по таким схемам; их в настоящее время существенно меньше, чем простых ГТУ.