透平膨脹機是空分設備用來產生冷量的旋轉式葉片機械，它實際上是一種用于低溫條件下的氣體透平。但其作用是為了獲得冷量，而不是機械功。
它與活塞式膨脹機相比，具有流量大，結構簡單、體積小、效率高及運轉周期長等特點。目前主要用于低壓空分設備。
透平膨脹機按氣體在葉輪中的流向分為軸流式、向心徑流式和向心徑軸流式三類。按氣體在葉輪中是否繼續(xù)膨脹又分為反擊式（反動式）和沖擊式（沖動式）兩類。氣體在葉輪中繼續(xù)膨脹的稱反擊式，不繼續(xù)膨脹的稱沖擊式。空分設備中廣泛采用單級向心徑軸流反擊式透平膨脹機。透平膨脹機的工作原理與汽輪機相似。壓縮氣體通過噴嘴和工作葉輪時膨脹，推動工作輪回轉，并輸出外功。同時，氣體本身壓力降低，溫度下降。沖動式膨脹機的結構如圖2一17所示。

壓縮氣體由蝸殼進人導流器2的噴嘴1，在噴嘴中膨脹并獲得極高的速度。高速氣流從噴嘴
以巨大的速度沖擊工作葉輪上的葉片，使工作葉輪回轉并對外做功。氣體本身則降溫冷卻，并從膨脹機的中心排出。這種膨脹機因氣流速度很高，造成工作葉輪和氣流間的摩擦損失、克服離心力的損失以及撞擊葉片的能量損失，因此膨脹效率不高，僅為壓縮空氣能量的50％一70%，在我國已被淘汰。

圖2一18為反動式透平膨脹機。壓縮氣體進人固定的導流器1的通道，在其中進行部分膨脹，并獲得高速，然后流出導流器，進人工作葉輪，沖動工作葉輪的葉片2，使工作葉輪回轉，對外做功。同時，氣體在工作葉輪的葉片中繼續(xù)膨脹到最終壓力，并繼續(xù)做功。這種功借助于運動氣流對工作葉輪上葉片以及反動作用所表現(xiàn)的壓力傳給葉輪。膨脹后的氣體從中心引出機外。由于氣體在導流器中僅進行部分膨脹，所以氣流速度不太大，因而減少了摩擦和撞擊方面的能量損失。同時，由于葉片的特殊型式，離．合力在這里促進了葉輪的回轉，所以這種型式膨脹機的效率較高，可達壓縮空氣能量的80％一85％以上，廣泛應用于大型低壓空分設備中。