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目前，国家正处于大力发展大科学装置及航空航天工程的时期，大型氦低温系统作为保障大科学装置及航空航天工程顺利运转的重要组成部分，其性能至关重要。作为大型氦低温系统的关键部件，低温氦透平膨胀机的效率直接影响了低温系统的性能。由于公开文献中关于低温氦透平膨胀机的研究较少，以往设计氦透平膨胀机时许多参数都基于经验选取，而低温氦透平膨胀机所具有的转速高、尺寸小的特点，使得其设计过程与其他类型的透平膨胀机不尽相同，那么在参数选取的过程中就难免会出现选取不合适导致透平膨胀机性能下降的情况，因此，开展低温氦透平膨胀机的相关研究是十分有必要的。
三维数值模拟作为研究低温氦透平膨胀机的重要手段之一，其计算结果的准确性会影响透平膨胀机的初始设计及性能预测。本文基于应用最为广泛的HEPAK氦热物性库，建立了商用CFD模拟软件ANSYS可调用的氦实际气体物性文件，并探究了不同的工作轮相对位置对模拟结果的影响，避免了不必要的计算误差，提高了小型低温氦透平膨胀机数值模拟计算的准确性。
在建立了工质物性库后，将作图法与中心流线法相结合，提出了一种新的小型低温氦透平膨胀机工作轮的设计方法，并在此基础上优化了工作轮前缘的几何形状。通过数值分析，从气动和流动两个方面说明了改进后的低温氦透平膨胀机满足所需要求。基于一台每小时可生产40L液氦的氦液化器，完成了改进后的低温氦透平膨胀机的实验研究。实验结果表明，改进后的两级透平膨胀机等熵效率均有8％左右的提升。
为了优化透平膨胀机的非设计工况性能，首先要清楚透平膨胀机在降温过程中各性能参数的变化情况。本文通过数值模拟及实验研究的方法，得到了小型低温氦透平膨胀机在降温过程中的特性曲线、反动度、质量流量及膨胀比的变化情况。由对比分析结果可知，L40氦液化器一级透平膨胀机的非设计工况性能与理论预测的偏差较大。空气常常被用作氦气的替代工质以研究透平膨胀机的性能，除了可以降低实验的成本之外，还避免了繁琐的实验操作过程。本文利用改进后的方法，设计了一台以空气为工质的小尺寸透平膨胀机，通过改变喷嘴尾缘的直径探究了不同的径向间隙对小尺寸透平膨胀机性能的影响以优化透平膨胀机的非设计工况性能。由数值模拟结果可知，对于工作轮直径为22mm的小尺寸透平膨胀机，最优的径向间隙为0.5mm。基于一台逆布雷顿循环制冷机开展了不同径向间隙(选取了数值模拟中的三种径向间隙，分别为0.2mm、0.5mm、0.8mm)的空气透平膨胀机的实验研究。结果表明，最优的径向间隙(0.5mm)在全工况范围内均具有一定的优势，即便在非设计工况下，也能保持较高的等熵效率，而当径向间隙取值过小(0.2mm)时，透平膨胀机在非设计工况下的性能迅速下降，变工况适应性较差，这也验证了模拟结果的准确性。将相关参数带入Tunakov的最优径向间隙选取的理论公式，得到了适合于小尺寸透平膨胀机径向间隙选取的判据常数1.871，该数值小于原判据常数2，这为今后小型低温氦透平膨胀机的设计提供了一定的参考。
三维数值模拟作为研究低温氦透平膨胀机的重要手段之一，其计算结果的准确性会影响透平膨胀机的初始设计及性能预测。本文基于应用最为广泛的HEPAK氦热物性库，建立了商用CFD模拟软件ANSYS可调用的氦实际气体物性文件，并探究了不同的工作轮相对位置对模拟结果的影响，避免了不必要的计算误差，提高了小型低温氦透平膨胀机数值模拟计算的准确性。
在建立了工质物性库后，将作图法与中心流线法相结合，提出了一种新的小型低温氦透平膨胀机工作轮的设计方法，并在此基础上优化了工作轮前缘的几何形状。通过数值分析，从气动和流动两个方面说明了改进后的低温氦透平膨胀机满足所需要求。基于一台每小时可生产40L液氦的氦液化器，完成了改进后的低温氦透平膨胀机的实验研究。实验结果表明，改进后的两级透平膨胀机等熵效率均有8％左右的提升。
为了优化透平膨胀机的非设计工况性能，首先要清楚透平膨胀机在降温过程中各性能参数的变化情况。本文通过数值模拟及实验研究的方法，得到了小型低温氦透平膨胀机在降温过程中的特性曲线、反动度、质量流量及膨胀比的变化情况。由对比分析结果可知，L40氦液化器一级透平膨胀机的非设计工况性能与理论预测的偏差较大。空气常常被用作氦气的替代工质以研究透平膨胀机的性能，除了可以降低实验的成本之外，还避免了繁琐的实验操作过程。本文利用改进后的方法，设计了一台以空气为工质的小尺寸透平膨胀机，通过改变喷嘴尾缘的直径探究了不同的径向间隙对小尺寸透平膨胀机性能的影响以优化透平膨胀机的非设计工况性能。由数值模拟结果可知，对于工作轮直径为22mm的小尺寸透平膨胀机，最优的径向间隙为0.5mm。基于一台逆布雷顿循环制冷机开展了不同径向间隙(选取了数值模拟中的三种径向间隙，分别为0.2mm、0.5mm、0.8mm)的空气透平膨胀机的实验研究。结果表明，最优的径向间隙(0.5mm)在全工况范围内均具有一定的优势，即便在非设计工况下，也能保持较高的等熵效率，而当径向间隙取值过小(0.2mm)时，透平膨胀机在非设计工况下的性能迅速下降，变工况适应性较差，这也验证了模拟结果的准确性。将相关参数带入Tunakov的最优径向间隙选取的理论公式，得到了适合于小尺寸透平膨胀机径向间隙选取的判据常数1.871，该数值小于原判据常数2，这为今后小型低温氦透平膨胀机的设计提供了一定的参考。