高速空气膨胀制冷技术具有天然环保、制冷温度极低、系统简单的特点，尤其是在体积小、重量轻等方面具有明显优势，是一种应用前景十分广阔的制冷技术。气体轴承-增压透平膨胀机是空气制冷机的核心结构，在高转速下运行时将会出现严重的涡动现象和突出的稳定性问题，成为制约空气制冷技术发展的关键技术之一。本文以气体轴承支承的增压透平膨胀机及其制冷系统为对象，重点开展了以下理论与试验研究:　　 1.基于逆布雷顿循环制冷原理设计并实现了空气膨胀制冷机试验台。基于本试验台，可开展空气膨胀制冷机的轴承-转子系统非线性振动性能、制冷性能以及振动对等熵效率、机械效率影响的试验研究。　　 2.开展了空气透平膨胀机轴承-转子系统同频涡动、共振、低频涡动与振荡等非线性振动现象发生机理、相互关系的理论研究和特性试验研究。利用非线性振动测试技术开展轴承供气压力等参数下的振动性能试验，寻找抑制涡动现象、提高空气透平膨胀机运动稳定性的方法，实现转子稳定运行转速的提升。　　 3.开展了空气制冷机在高转速下热力特性的理论和试验研究。通过透平通流部分的能量转化原理，推导出透平输出功、压比与转子转速的关系，并开展空气制冷机在不同转速下热力性能的验证试验。研究结果表明:提高空气膨胀机的稳定工作转速是提高制冷效果的有效途径之一。　　 4.探讨了涡动现象与叶轮-轴承-转子系统能量转化效率的关系。通过分析考虑涡动情况下的叶轮-轴承-转子能量转化过程，分析了涡动能量的来源及其对机械效率、等熵效率的影响，并开展了空气制冷机在有、无涡动情况下热力性能影响对比试验，对上述分析进行验证。