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。氣體在葉輪中繼續膨脹的稱反擊式，不繼續膨脹的稱沖擊式。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膨脹到最終壓力，并繼續做功。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。