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透平膨胀机是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是确保整套设备稳定运行的心脏。
1939年，Kapitsa(卡皮查)院士发明了世界上一台高效率(等熵效率>80％)径流向心反动式透平膨胀机，从而，实现了空分装置的全低压液化循环，即卡皮查循环。
目前向心度较大的反动式透平膨胀机并没有达到它本身通过气量的极限值，特别是因为它的结构简单，又有很高的等熵效率，所以它被广泛地应用在目前国、内外低温技术上。
作用
空分设备的心脏部机之一，由气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，补充系统冷损。
工作的对象主要是气体。当气体具有一定的压力和温度时。就具有一定的能量，即由压力而体现的势能与由温度所体现的动能。这两种能量总称为内能，而膨胀机主要的作用是利用气体通过膨胀机的过程中的内能降低并对外输出功。并由于气体内能的降低并对外输出功使气体的压力和温度大幅度降低从而达到制冷与降温的目的。
根据能量转换和守恒定律可知，气体在透平膨胀机内进行绝热膨张对外作功时，气体的能量焓值一定要减少，从而使气体本身强烈地冷却，而达到制冷的目的。透平膨胀机的实际制冷量总比理论制冷量要小，因此，膨胀机的效率总是小于1。膨胀机的效率越低，则在相同进、出口压力和进口温度下，膨胀机的单位工质制冷量越小，反映出膨胀机的温降效果越小。透平膨胀机输出的能量由同轴的增压机、发电机回收或制动风机、油等消耗。
气体降温在喷咀及叶轮中完成。喷咀是一种由多个精心设计的叶片所组成的喷射通道（即喷咀流道）。当高压的气体通过喷咀流道时，由于喷射作用使气体的速度迅速上升并可达到音速。
叶轮是一个由多个叶片所组成轮子，气体从半径方向流入，而从与主轴轴线平行方向流出，称为径轴流叶轮。叶轮中每两个叶片围成一个通道。叶轮的通道是经过精心的设计，而且是渐渐扩大的。叶轮接受从喷咀出来的高速气体，由于喷咀出来的气体其速度达到或超过音速，而且温度已经大幅度降低，当高速气体冲击叶轮的叶片时，使叶轮高速转动。
膨胀机轮子的飞速转动，带动了与膨胀机轮子在同一轴上另一端的增压机叶轮的转动，增压机叶轮的转动压缩了通过增压机叶轮气体，增压机叶轮不仅压缩了气体，利用了膨胀发出的功率，而且也控制了膨胀机的转速。
流动损失
气流流过导流器和工作轮时，由于流道表面的摩擦、局部产生漩涡、气流撞击等产生的损失属于流动损失。流动损失的大小与流道形状是否与气流流动方向相适应、表面光洁程度等因素有关。流道除了与设计、制造技术水平有关外，膨胀机内流道的磨损、杂质在表面积聚、转速变化而使气流进入叶轮时产生的撞击等，都会增加流动损失。一般情况下，导流器内的流动损失约占总制冷量的5%，工作轮内的流动损失约占总制冷量的6%。
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工作轮轮盘摩擦鼓风损失
工作轮在旋转时，轮盘周围的气体对叶轮的转动有一摩擦力，轮盘将带动气体运动。由此产生的摩擦热将使气体的温度升高，这种损失称为摩擦鼓风损失。它与工作轮的直径及转速等因素有关，一般占总制冷量的3%～4%。
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泄漏损失
内泄漏、外泄漏
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内泄漏
一部分气体经过导流器后不通过叶轮膨胀，而直接从工作轮与机壳之间的缝隙漏出，与通过叶轮膨胀的气体汇合。这小股泄漏气体未经过叶轮的进一步膨胀，温度较高，因而使膨胀机的制冷量减小，降低了膨胀机的效率。内泄漏量的大小取决于转子与机壳之间的间隙，因此在安装时必须严格控制在规定公差范围之内。
外泄漏
气体通过轮盘后部沿轴间隙向外泄漏出的气体。这部分气体的泄漏对膨胀机的效率没有影响，但是将减少总的制冷量。同时外漏气体的冷量也无法回收，所以它对产冷的影响是很大的。外泄漏量的大小与密封装置结构、间隙以及是否通压力密封气有关。
排气损失
通过膨胀机的气体在出口还具有一定的速度，叫做余速。余速越高，能量损失也越大，这部分损失叫做排气损失或余速损失。排气损失不仅与设计有关，在运转过程中当转速变化偏离设计工况时，也会使气流出口速度增加，效率降低。
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透平膨胀机具有的流量大、体积小、冷量损失少、结构简单、通流部分无机械摩擦件、不污染制冷工质(即压缩气体)、调节性能好、安全稳定等优点，自20世纪60年代以来已在空分制冷、NGL回收及天然气液化等装置中广泛用做制冷机械，随着中国工业的发展，透平膨胀机作为空分心脏部件之一，已成为整体空分系统的首要考量设备。
