氦气膨胀机具有微型化、高转速、低振动、长寿命等特点，在制冷温度和制冷量上都有着不可替代的优势。氦气膨胀机的主要特点：进口介质温度低，膨胀比大，尤其在小流量时，工作叶轮直径小，膨胀比焓降大，转子转速高，转子稳定性和动平衡要求严格。

 

中国从事氦透平膨胀机的研究工作开始于上世纪70年代，是为了航天事业的发展而进行的，国内研制的第一台氦透平膨胀机应用于空间环境模拟器KM4中。该透平膨胀机采用了单级径－轴流反动型式，转子直径为24.5mm，长径比为40/25，静压供气，其介质为氦气，鼓风制动。

 

在80年代对后期对我国早期的空间环境模拟器KM3进行升级改造，用透平膨胀机代替长活塞膨胀机，采用中科院低温中心研制的自作用气体轴承氦透平膨胀机 该透平膨胀机采用动静压混合式气体轴承，提高了轴承的稳定性，又减少了轴承气的消耗量( 小于3%) ， 转速能达到50万转每分钟以上，是当时国内转速最高尺寸最小的氦透平膨胀机。 

 

90年代末期西安交通大学为空间环境模拟器KM6研制的氦透平膨胀机，工作轮直径35mm，轴承轴径25mm，制动风机轮直径60mm，采用静压气体轴承，轴承气采用氦气，由流程中直接引出，采用止推盘在中间的单止推结构在进行的低温( 液氮级) 空气试验中，最高转速大于13万转/分，绝热效率达68%，在设计工况下的绝热效率大于70%，在出口温度12.817K时，膨胀机的效率高达75%，最大制冷量接近2000W。

 

此膨胀机是中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所低温工程与技术研究室与杭州一公司联合研制而成，采用全气体轴承、风机制动、止推盘端置结构，制动循环采用叶轮制动的闭式循环、水冷结构。全气体轴承膨胀机循环运行过程中没有掺入任何杂质，不影响循环氦气的纯度。风机制动操作简单，可调性能好，无需辅助系统。该膨胀机共进行多次常温调试实验并进行了三次低温测试：常温测试主要测试膨胀机转子系统的机械性能；低温测试主要测试膨胀机整机的热力学性能。整机常温测试结果良好，轴心涡动振幅最大值不超过0.008毫米。在等离子体所氦透平测试平台上共进行三次低温测试，对于测试暴露的问题进行及时改进和完善，第三次测试一次成功。

 

测试完成的透平膨胀机将用于东方超环2千瓦氦制冷机中，接受东方超环实验的进一步检验。氦透平膨胀机是东方超环低温系统核心部件，也是自主研发大型氦制冷机的关键设备。此次全气体轴承氦透平膨胀机测试成功，预示着研究所具有研制全气透平的能力，对未来自主研发大型氦制冷机有着重要的意义。