随着大科学装置和航天航空工程的发展，大型氦低温制冷系统发挥着越来越重要的作用。作为制冷系统关键部件的透平膨胀机，其效率和流动特性一直是研究的焦点。低温透平膨胀机的尺寸较小，且运行处于高速状态，与大尺寸的向心涡轮的性能不尽相同，而现在关于低温透平膨胀机的设计与性能的研究相对较少。　　为了研究低温透平膨胀机的性能，本文在借鉴国内外关于叶轮设计方法的基础上设计了低温空气透平膨胀机。相对于以前的包络线校核设计子午型线，从新的几何角度出发设计子午面，保证了流道的平顺。分别利用了非可展直纹抛物面的特性设计了工作轮1和制动轮，采用了基于三元流动的中心流线法设计了工作轮2。　　两种方法设计完成叶轮后，对透平膨胀机进行了数值分析。通过比较设计工况的等熵效率和流道流场特性，结果表明中心流线法的设计更好些。在透平膨胀机的损失中，攻角损失是占比较大的损失，特别是在变工况下，攻角损失会占据损失的主导地位。而在喷嘴与工作轮间的径向间隙产生的损失则很少被提及，目前关于径向间隙参数的选取也没有确定的准则，本文对这两种因素进行了分析研究。通过改变工作轮进气角研究攻角对透平膨胀机性能的影响，在-10°～5°附近的攻角会达到最高效率，并辅以流线分析。本文通过稳态和非稳态的数值分析，研究了不同径向间隙（△r=0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1.1mm）对透平膨胀机造成的性能影响。在数值分析中，先需要迭代设计，保证空气的质量流量和工作轮叶片前缘处的气流角在径向间隙变化时基本不变，消除工作轮进口速度三角形对效率的影响。结果显示七种径向间隙的设计中，等熵效率变化在1.4％的范围内。随着径向间隙的增大，等熵效率先升后降，小径向间隙的效率变化比大径向间隙的剧烈。径向间隙在0.5mm的工况下效率最高，在径向间隙0.4mm、0.6mm的工况下，效率与0.5mm的效率非常接近。在非稳态数值研究中，在工作轮叶片前缘附近布置压力监测点。结果表明径向间隙较小时，压力的波动较大，流动稳定性较差。所以径向间隙的选取需要平衡压力波动与摩擦流阻损失。　　在分析完参数攻角、径向间隙影响的基础上，分别采用含有损失模型的一维模拟方法和基于CFD软件的三维模拟方法，对喷嘴与工作轮的不同组合进行变制动功率的变工况性能研究，获得了透平膨胀机的性能曲线。制动功率越小，性能曲线往小压比的方向移动，不同径向间隙的透平膨胀机的变工况性能曲线基本不变，质量流量与压比的关系近似线性关系。　　最后，在现有装备的基础上，设计并搭建了低温空气透平膨胀机实验系统。实验系统分成气源系统、气体控制面板、冷箱、待测透平膨胀机、测量系统和控制系统六大部分。分别开展了在设计转速下不同制动功率的和不同径向间隙对于透平膨胀机性能影响的实验研究，并与一维性能预测程序的性能曲线和三维软件拟合的性能预测曲线相比较。验证了数值模拟中制动功率减小，性能曲线向小压比、大特性比的方向移动的结论。径向间隙为0.5mm的透平膨胀机在设计工况和大部分工况下，均取得最优的性能，径向间隙为0.8mm的其次，且与径向间隙为0.5mm的性能接近，变工况性能较好，径向间隙为0.2mm的全工况性能最差，验证了数值计算结果。数值模拟结果和实验结果表明，设计方法有效可靠;径向间隙的选取需要权衡好喷嘴出口气流在径向间隙的调整空间和摩擦损失;含有损失模型的一维模拟方法和基于CFD软件的三维模拟方法综合使用，能准确预测透平膨胀机性能曲线，为以后低温透平膨胀机的设计与性能预测提供了参考。