氦氣膨脹機具有微型化、高轉速、低振動、長壽命等特點，在制冷溫度和制冷量上都有著不可替代的優勢。氦氣膨脹機的主要特點：進口介質溫度低，膨脹比大，尤其在小流量時，工作葉輪直徑小，膨脹比焓降大，轉子轉速高，轉子穩定性和動平衡要求嚴格。

 

中國從事氦透平膨脹機的研究工作開始于上世紀70年代，是為了航天事業的發展而進行的，國內研制的第一臺氦透平膨脹機應用于空間環境模擬器KM4中。該透平膨脹機采用了單級徑－軸流反動型式，轉子直徑為24.5mm，長徑比為40/25，靜壓供氣，其介質為氦氣，鼓風制動。

 

在80年代對后期對我國早期的空間環境模擬器KM3進行升級改造，用透平膨脹機代替長活塞膨脹機，采用中科院低溫中心研制的自作用氣體軸承氦透平膨脹機 該透平膨脹機采用動靜壓混合式氣體軸承，提高了軸承的穩定性，又減少了軸承氣的消耗量( 小于3%) ， 轉速能達到50萬轉每分鐘以上，是當時國內轉速最高尺寸最小的氦透平膨脹機。 

 

90年代末期西安交通大學為空間環境模擬器KM6研制的氦透平膨脹機，工作輪直徑35mm，軸承軸徑25mm，制動風機輪直徑60mm，采用靜壓氣體軸承，軸承氣采用氦氣，由流程中直接引出，采用止推盤在中間的單止推結構在進行的低溫( 液氮級) 空氣試驗中，最高轉速大于13萬轉/分，絕熱效率達68%，在設計工況下的絕熱效率大于70%，在出口溫度12.817K時，膨脹機的效率高達75%，最大制冷量接近2000W。

 

此膨脹機是中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所低溫工程與技術研究室與杭州一公司聯合研制而成，采用全氣體軸承、風機制動、止推盤端置結構，制動循環采用葉輪制動的閉式循環、水冷結構。全氣體軸承膨脹機循環運行過程中沒有摻入任何雜質，不影響循環氦氣的純度。風機制動操作簡單，可調性能好，無需輔助系統。該膨脹機共進行多次常溫調試實驗并進行了三次低溫測試：常溫測試主要測試膨脹機轉子系統的機械性能；低溫測試主要測試膨脹機整機的熱力學性能。整機常溫測試結果良好，軸心渦動振幅最大值不超過0.008毫米。在等離子體所氦透平測試平臺上共進行三次低溫測試，對于測試暴露的問題進行及時改進和完善，第三次測試一次成功。

 

測試完成的透平膨脹機將用于東方超環2千瓦氦制冷機中，接受東方超環實驗的進一步檢驗。氦透平膨脹機是東方超環低溫系統核心部件，也是自主研發大型氦制冷機的關鍵設備。此次全氣體軸承氦透平膨脹機測試成功，預示著研究所具有研制全氣透平的能力，對未來自主研發大型氦制冷機有著重要的意義。