氦透平膨胀机是氦制冷系统中的关键制冷机械部件。氦透平膨胀机传统的蜗壳结构型式普遍采用的是蜗牛型结构,该结构型式较为复杂,蜗壳圆弧壁面精加工时所受阻碍较大,并且易受切削经验误差的影响,进而影响着蜗壳气动性能。为了克服传统蜗壳结构加工时遇到的问题,本论文开展了一种新型的筒体蜗壳结构氦透平膨胀机的研究工作,主要包括新型筒体蜗壳氦透平膨胀机的内部流动特性研究及不同筒体蜗壳结构对氦透平膨胀机性能的影响研究。针对新型氦透平膨胀机内部流动过程,本论文建立了数学模型,并采用NUMECA商业软件进行数值模拟。借助一维设计理论与数值模拟相结合的研究方法,本论文首先对新型筒体蜗壳氦透平膨胀机进行全流道内部流动特性研究,整体上掌握新型筒体蜗壳对氦透平膨胀机总体性能的影响规律。本论文主要探究了筒体蜗壳内部压力、温度和速度等参数的变化特点以及喷嘴和工作轮S1流面、S2流面和叶片表面上的各项流动参数分布特点,并对全流道的内部流动损失进行了深入分析。研究结果表明,在新型筒体蜗壳进气结构下,氦透平膨胀机整体内部流动情况良好,等熵效率高于设计要求,说明了新型筒体蜗壳氦透平膨胀机总体性能良好,具有重要的应用意义。本论文采用控制变量法对新型筒体蜗壳进气管位置高度、进气角度和偏心距离三种进气结构参数分别进行了六水平的算例设计,并对所有设计算例进行了不同流量工况下的数值模拟。基于数值模拟结果,对新型筒体蜗壳的内部流线、出口平面上流动参数以及喷嘴半叶高截面位置处气流的变化情况进行了详细分析,进一步掌握了新型筒体蜗壳氦透平膨胀机的整机性能。此外,通过不同算例组数值模拟结果的对比,研究发现,当进气管位置达到一定高度时,进气管位置高度对透平膨胀机总体性能的影响将不明显,此时,改变进气角度和偏心距离对透平膨胀机总体性能的影响均不明显。