其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。
我们平常用气筒打气会发现筒身发热，那是因为活塞压缩气体气体放热，如果反之其原理就类似于膨胀机了(更确切的说是活塞式膨胀机)。透平膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或制动风机消耗。
效率实现单级结构，以径流向心式最为合理，容易满足上述要求。但是，在规定的叶轮径尺寸下，径流向心式通过气量的能力小于轴流式，因此对于中压流程，更大流量与更大焓降的透平膨胀机，并不排斥将透平膨胀机设计成具有反动度的多级轴流式。
