JPH09303273A - ベーン式流体回転機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、小型化が可能で出力効率が従来に
比べて良好なベーン式流体回転機械を提供することを課
題とする。 【解決手段】 ケーシング１に回転可能に支持された回
転軸２と、この回転軸と同軸に連結されたロータ３と、
ロータ外周に放射状に設けた溝４の径方向に摺動する複
数のベーン６と、ベーンをロータから押し出すためのコ
イルばね５と、ケーシングに作動流体の流入ポート１２
と流出ポート１３を有するベーン式回転機械であって、
且つ、コイルばねが設けられる穴７のロータ外周上の軸
方向の位置が、隣接もしくは対向するベーンに対して不
等な構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電プラント
や原子力発電プラント等に使用されている内径の小さな
配管類の検査・補修装置のモータやポンプとして利用可
能な小型のベーン式流体回転機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のベーン式流体回転機械のロータ部
の構成を図６に示す。図６に示すように、ロータ９３の
外周に軸方向に切り込んで設けた複数の溝９４（９４ａ
〜９４ｄ）にベーン９６（９６ａ〜９６ｄ）が径方向に
摺動するように組み込まれている。また、上記溝９４の
軸方向の中央部分に設けられた穴９７（９７ａ〜９７
ｄ）には、ベーン９６をケーシング内筒面に押しつける
ためにコイルばね９５（９５ａ〜９５ｄ）が各々設けら
れている。従って、図７に示すように、ロータ９３の外
周面，ケーシング９１の内周面と側面，ベーン９６によ
り、所定の体積を持った気室９８（９８ａ〜９８ｄ）が
ベーン９６の枚数と同数、ロータとケーシング間に形成
され、この複数の気室９８の体積がロータ９３の回転に
よって変化する構造になっている。

【０００３】図７に基づきベーン式流体回転機械の動作
原理を説明する。加圧された作動流体が流入ポート１０
０に供給されると、ロータ９３外周面とケーシング９１
内面、及び、ばね９５により押し出されたベーン９６
ａ，９６ｄによって構成される気室９８ｄの空間内に作
動流体が導入される。この気室９８ｄに導入された作動
流体の圧力が、２枚のベーン９６ａ，９６ｄに作用する
が、流入ポート１００付近では、２枚のベーン９６ａ，
９６ｄの突き出し量が異なることから、突き出し量の長
いベーン９６ａが突き出し量の短いベーン９６ｄに比べ
て大きな力を受ける。この力の差が回転力となってロー
タ９３を時計回りに回転させ、ロータ９３と同心に取り
つけられた軸９２が回転し、モータとして機能する。

【０００４】一方、作動流体を、流入ポート１００から
ロータ９３外周面とケーシング９１内面、及び、ばね９
５により押し出されたベーン９６ａ，９６ｄによって構
成される気室９８ｄに導入した状態で、回転軸９２を外
部から回転させると、該回転軸９２に取りつけられたロ
ータ９３が回転し、気室内の作動流体を流入ポート１０
０から流出ポート１０１に送り出し、ポンプとして機能
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ベーン式流体回転機械において、ベーン９６をケーシン
グ内円筒に押しつけるためにコイルばね９５を利用した
構成の場合、図６に示したようにベーン押し出し用のコ
イルばね９５が設けられる穴９７の軸方向の位置が全て
のベーン９６に対して同一であるため、穴９７の深さ
は、図７に示すものより深くすることが困難であった。

【０００６】また、大きな出力を得る一つの方法とし
て、ベーン９６の摺動するストロークを長くすることに
よって、ベーン９６の受圧面積を大きくし、この面積と
気室間の差圧の積で得られる出力トルクを向上させる方
法が用いられるが、ベーン９６のストロークを長くする
ためには、長いコイルばねが必要になる。この時、収縮
したときのばねの長さに対して、ばねを収納する穴の深
さが短くなるため、これを補うために、図８に示すよう
に、ベーン９６側にも、ばねを収納するための切り欠き
９９を作る必要が生じる。この結果、図８に示すよう
に、ベーン９６の切り欠き部９９に流体漏れが発生し、
ベーン９６に作用する圧力が減少するため、出力が減少
するという問題点があった。

【０００７】また、従来の構造では、気室間の気密性を
確保するために、コイルばね９５の収縮時の長さとベー
ン９６のロータ径方向の長さの和を、ロータ半径よりも
短くする必要があるが、装置を小型化するためにロータ
径を小さくすると、コイルばね９５の収縮時の長さとベ
ーンの長さの和が、ロータ半径よりも長くなり、各ベー
ン用の複数の穴がロータ中心部で導通して流体の気室間
の漏れ要因となり極端な出力低下につながるため、従来
の構造では小型化が困難であるという問題があった。

【０００８】この発明は、上記のような問題点を解消す
るために成されたもので、より小型化が可能で出力効率
が従来に比べて良好なベーン式流体回転機械を提供する
ことを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するベーン式流体回転機械は、以下の構成により特定
するものである。 （１）コイルばねが設けられる穴のロータ外周上の軸方
向の位置が、隣接もしくは対向する穴に対して不等な構
造とするものである。 （２）コイルばねの穴と少なくとも片側の気室間との通
路を塞ぐ構造とするものである。 （３）コイルばねが設けられる穴のロータ外周上の軸方
向の位置が、隣接もしくは対向する穴に対して不等な構
造で、且つ、コイルばねの穴と少なくとも片側の気室間
との通路を塞ぐ構造とするものである。 （４）コイルばねが設けられる穴の位置をロータの回転
方向に移動し、コイルばねが設けられる穴とベーンの両
側の気室の内、片側の気室との通路を塞ぐ構造とするも
のである。 （５）ベーンにコイルばねが設けられる穴を塞ぐ構造部
材を設けたものである。 （６）ロータにコイルばねが設けられる穴を塞ぐ構造部
材を設けたものである。 ここで、本発明でいう回転機械とは、例えばモータ，ポ
ンプ等を意味し、作動流体としては、例えば気体，液体
等を使用することができる。

【００１０】本発明の請求項１記載のベーン式流体回転
機械は、ケーシングに回転可能に支持された回転軸と、
この回転軸と同軸に連結されたロータと、ロータ外周に
放射状に設けた溝の径方向に摺動する複数のベーンと、
ベーンをロータから押し出すためのコイルばねと、ケー
シングに作動流体の流入ポートと流出ポートを有するベ
ーン式回転機械であって、且つ、コイルばねが設けられ
る穴のロータ外周上の軸方向の位置が、隣接もしくは対
向するベーンに対して不等な構造を有することを特徴と
するものである。

【００１１】本発明の請求項２記載のベーン式液体回転
機械は、上記ベーン式流体回転機械において、上記ロー
タ外周に放射状に設けられたベーン溝の回転方向の幅に
対して、ベーン押し出し用のコイルばねが設けられる穴
の直径が大きいときに、コイルばねの穴に対して少なく
とも片側の気室間との通路を塞ぐ構造部材を有すること
を特徴とするものである。

【００１２】本発明の請求項３記載のベーン式液体回転
機械は、上記ベーン式流体回転機械において、上記コイ
ルばねが設けられる穴のロータ外周上の軸方向の位置
が、隣接もしくは対向するベーンに対して不等な構造を
有し、且つ、ロータ外周に放射状に設けられたベーン溝
の回転方向の幅に対して、ベーン押し出し用のコイルば
ねが設けられる穴の直径が大きいときに、コイルばねの
穴に対して少なくとも片側の気室間との通路を塞ぐ構造
部材を有することを特徴とするものである。

【００１３】本発明の請求項４記載のベーン式液体回転
機械は、上記ベーン式流体回転機械において、ロータ外
周に放射状に設けられたベーン溝の回転方向の幅に対し
て、ベーン押し出し用のコイルばねが設けられる穴の直
径が大きいときに、コイルばねが設けられる穴の位置を
ロータの回転方向に移動し、コイルばねが設けられる穴
とベーンの両側の気室の内、片側の気室との流路を塞ぐ
構造部材を有することを特徴とするものである。

【００１４】本発明の請求項５記載のベーン式液体回転
機械は、上記ベーン式流体回転機械において、ロータ外
周に放射状に設けられたベーン溝の回転方向の幅に対し
て、ベーン押し出し用のコイルばねが設けられる穴の直
径が大きいときに、ベーンにコイルばねが設けられる穴
と気室間の流路を塞ぐ構造部材を持つことを特徴とする
ものである。

【００１５】本発明の請求項６記載のベーン式液体回転
機械は、上記ベーン式流体回転機械において、ロータ外
周に放射状に設けられたベーン溝の回転方向の幅に対し
て、ベーン押し出し用のコイルばねが設けられる穴の直
径が大きいときに、ロータにコイルばねが設けられる穴
と気室間の流路を塞ぐ構造部材を持つことを特徴とする
ものである。

【００１６】本発明の請求項７記載のベーン式液体回転
機械は、載のベーン式流体回転機械において、上記ロー
タが直径１ｍｍから２０ｍｍ、長さ１ｍｍから４０ｍｍ
であることを特徴とするものである。

【００１７】〔作用〕図３に基づき本発明の作用を説明
する。加圧された作動流体を流入ポート１２に供給し
て、ベーン式流体回転機械をモータとして使用した場
合、給気行程にある圧力の高い気室Ａから既に排気行程
に入って圧力の低くなっているベーン６ａで仕切られた
気室Ｂへの作動流体の漏れが問題となるが、本発明の構
造によれば、従来の方法に比べて気室間の作動流体の漏
れを減少させ、ベーンに作用する流体の圧力を大きくす
ることができるため、出力トルク、最高回転数、効率が
向上する。

【００１８】また、作動流体を流入ポート１２に接続
し、回転軸を外部から回転させてベーン式流体回転機械
をポンプとして使用した場合、流出ポート１３付近の圧
力が高くなった気室から隣の圧力の低い気室への作動流
体の漏れが出力低下の要因となり問題となるが、本発明
の構造によれば、従来の方法に比べて気室間の作動流体
の漏れを減少させることができるため、作動流体の吐出
量、吐出圧力、効率が向上する。

【００１９】上記本発明にかかるベーン式流体回転機械
を、例えば内径５０ｍｍ程度の配管内検査・補修装置の
動力装置として用いるためには、ロータの直径は２０ｍ
ｍ以下が望ましいが、１ｍｍ以下の場合は事実上、製作
が困難となるため、１ｍｍから２０ｍｍが好ましい。同
様にロータの長さは、最小曲率半径１００ｍｍ程度の配
管の曲がり部を通過するためには、４０ｍｍ以下が望ま
しいが、１ｍｍ以下の場合は事実上、製作が困難となる
ため１ｍｍから４０ｍｍが好ましい。

【００２０】

【実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。

【００２１】［第１の実施の形態］ ［構成］図１に、ベーン押し出し用コイルばねが設けら
れる穴のロータ外周上の軸方向の位置が４つのベーンに
対して、それぞれ異なるベーン式流体回転機械の構成を
示す。図２はそのロータ部を拡大した斜視図であり、図
３は、その断面図である。

【００２２】これらの図面に示すように、ベーン式流体
回転機械は、ケーシング１に回転可能に支持された回転
軸２と、この回転軸と同軸に連結されたロータ３と、ロ
ータ外周に放射状に設けた溝４の径方向に摺動する複数
のベーン６と、ベーン６をロータ３から押し出すための
コイルばね５と、ケーシング１に作動流体の流入ポート
１２と流出ポート１３を有するベーン式回転機械におい
て、コイルばね５が設けられる穴７のロータ外周上の軸
方向の位置が、隣接もしくは対向するベーン６に対して
不等な構造を有するものである。

【００２３】すなわち、円筒状の内面を持つケーシング
１は、軸方向に３分割されて、第１のケーシング１ａ，
第２のケーシング１ｂ及び第３のケーシング１ｃからな
り、これらは固定用ボルト１１（１１ａ〜１１ｃ）によ
り締結されている。このケーシング内には、回転軸２が
ベアリング９を介して偏心させて固定され、回転軸２と
一体加工された直径８ｍｍ、長さ１６ｍｍの円筒状のロ
ータ３がケーシング１内で自由に回転するようになって
いる。

【００２４】上記ケーシング１の円筒内側面とロータ側
面には、クリアランスをとり、ロータ回転時のロータ側
面とケーシングとの摩擦を防止する構造としている。こ
のクリアランスとロータ両側面とのバランスを調整をす
るために、ロータ３と該ロータ３を支持するベアリング
９（９ａ，９ｂ）がケーシング１内で軸方向に移動でき
るように、ベアリング両端にネジ８とプリロード用のス
プリングワッシャ１０とを設けて調整機構としてある。

【００２５】ロータ外周には、放射状に溝４（４ａ〜４
ｄ）を設け、この溝４にベーン６（６ａ〜６ｄ）がロー
タ３の半径方向に摺動するように納められている。ま
た、このベーン６をケーシング内周面に押しつけて気室
の気密性を確保するためにコイルばね５（５ａ〜５ｄ）
がロータ外周にあけられた穴７（７ａ〜７ｄ）に設けら
れるようになっている。

【００２６】コイルばね５は、ベーン１枚に対して１本
用いられるが、図２に示すように、穴７の軸方向の位置
は、それぞれのコイルばね５毎に軸の端部からの穿孔位
置を各々変えてある。これにより、図３に示すように、
コイルばね５が設けられる穴７がロータ中心部において
干渉せず、従来より深い穴があけられるようにしてい
る。

【００２７】さらにコイルばね５が設けられる穴７の中
心を溝４の中心に対してロータ６の回転方向（本実施の
形態では図３中右側に回転している。）にずらし、穴７
が片側の気室Ｂとだけ接するようにしてある。

【００２８】図１に示したケーシング１の側面には、外
部から気室に流体が入る流入ポート１２と流体が出る流
出ポート１３とが設けられており、上記流入ポート１２
に圧力をかけた流体を供給すると、ベーン６が回転力を
受けロータ３と軸２を回転させてベーン式モータとして
機能する。一方、外部から回転力を供給して軸２とロー
タ３を回転させると、流体を流入ポート１２から流出ポ
ート１３に押し出すため、ベーン式ポンプとして機能す
る。

【００２９】［作用・効果］ロータ３のコイルばね５の
穴７を従来の方式に比べ、軸の回転方向及び軸方向に各
々オフセットして、図３に示すように深く加工できるた
め、従来のように、ベーン６にコイル収納用の切り欠き
を加工する必要が無くなり、ベーン６とベーン溝４との
すき間によって生じる流体の漏れが減少する。さらに従
来のように図８に示したようなコイルばね用の穴による
流体漏れを低減できることから、これらの相乗効果によ
り出力が著しく向上する。また、コイルばね７の深さに
よる設計上の制約が緩和されることから、ロータ直径を
５ｍｍから１０ｍｍ程度に小さくできるため、全体の構
造を小型化することが可能となる。

【００３０】この結果、例えば、直径１４ｍｍ、長さ２
８ｍｍと小型な上、出力３Ｗ（給気圧５kgf/cm² ）と出
力の大きいエアモータが実現できるため、内径２５ｍｍ
程度の配管内の検査・補修に適用が可能となる。

【００３１】なお、ベーン押し出し用のコイルばねを複
数使用したときも同様な作用・効果を得ることができ
る。また、本実施の形態ではベーン６を４枚としたが本
発明はこれに限定されるものではない。

【００３２】［第２の実施の形態］ ［構成］図４に第１実施の形態とは次の点が異なるベー
ン式流体回転機械を第２実施の形態として示す。

【００３３】本実施の形態では、ロータ外周に設けられ
たコイルばね用の穴２７の位置は従来の技術で示した図
６と同様に軸端部から全て同じ位置に穴２７を設けてい
るが、この穴２７を塞ぐ構造部材をベーン２６（２６ａ
〜２６ｄ）に設けたベーン式流体回転機械である。

【００３４】ベーン２６には、コイルばね２５の穴に対
応する箇所に穴２７と略同径の円筒部２８（２８ａ〜２
８ｄ）の構造部材を設け、ベーン２６で仕切られた気室
間の気密性を向上させる構成となっている。

【００３５】［作用・効果］気室間の流体漏れの流路と
なるコイルばね用の穴２７をベーン２６に設けた円筒部
２８で塞ぎ、気室間の気密性を向上させていることによ
り、気室間の流体の漏れを著しく減少させることができ
るため、気室間の圧力損失が減少し出力が向上する。ま
た、ベーン２６の円筒部２８とコイルばね用の穴２５
が、ベーンの往復運動のガイドとなるため、ベーンの回
転運動、軸方向の運動が拘束されてケーシング内側面と
の摩擦抵抗の低減に寄与し、ベーンの寿命を延ばす効果
がある。

【００３６】この結果、例えば直径１４ｍｍ，長さ２８
ｍｍと小型な上、出力３Ｗ（給気圧６kgf/cm² ）と出力
の大きいエアモータが実現できる。

【００３７】なお、ベーン１枚に対してコイルばねを複
数使用し、ベーンにこれに対応した同数の円筒部を設け
たり、ロータ側に穴を塞ぐ構造部材を設けた場合も同様
の作用・効果を得ることができる。

【００３８】［第３の実施の形態］ ［構成］図５に、第１実施の形態とは次の点が異なるベ
ーン式流体回転機械を第３の実施の形態として示す。

【００３９】第１の実施の形態では、ロータ外周に設け
られたコイルばね用の穴３７の位置をロータ３６の軸方
向と周方向にずらした構造としたが、本実施の形態で
は、ロータ外周に設けられたコイルばね用の穴の位置が
ロータ中心部で干渉せずに深い穴があけられるように、
４個ある穴の位置を軸端部からの穴３７の穿孔位置を軸
方向にのみ変えた構成としてある。

【００４０】［作用・効果］ベーン３６にコイルばね３
５を収納するための切り欠きを作る必要が無くなるた
め、気室間の流体の漏れを著しく減少させることがで
き、気室間の圧力損失が減少し出力が向上する。また
は、コイルばね３５が設けられる穴３７の深さが深くで
きることから、ベーン３６のストロークを長くし、受圧
面積を大きくできるため大きな出力が得られる。

【００４１】なお、コイルばね用の穴の位置を変えず
に、ロータ側に穴を塞ぐ構造部材を設けても同様な作用
・効果を得ることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上、本発明の実施の形態と共に説明し
たように、本発明によれば以下の効果を奏するものとな
る。

【００４３】（１）コイルばね用の穴がロータの中心部
で干渉しない構造となるため、ロータのコイルばねの穴
を深く加工でき、ベーンにコイル収納用の切り欠きを加
工する必要が無くなり、切り欠きによって生じていた流
体の漏れが減少し出力が向上する。また、コイルばねの
深さによる設計上の制限が緩和されることから、ロータ
直径を小さくできるため、全体の構造を小型化すること
が可能となる。

【００４４】（２）コイルばね用の穴によって生じてい
た気室間の流体の漏れを著しく減少させることができる
ため、気室間の圧力損失が減少し出力が向上する。

【００４５】（３）コイルばね用の穴がロータの中心部
で干渉しない構造となると同時に、コイルばね用の穴に
よって生じていた気室間の流体の漏れを著しく減少させ
ることができるため、上記（１）と上記（２）の相乗効
果により、より小型で出力の大きいベーン式流体回転機
械を得ることができる。

【００４６】（４）コイルばね用の穴をロータの回転方
向に移動するという簡便な方法により容易に上記（２）
の効果を奏することができる。

【００４７】（５）ベーンにコイルばね用の穴を塞ぐ円
筒状の構造部材を持たせることにより、上記（２）に加
え、ベーンの円筒部材とコイルばね用の穴が、ベーンの
往復運動のガイドとなるため、ベーンの回転運動、軸方
向の運動が拘束されてケーシング内側面との摩擦抵抗の
低減の効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示す組み立て説
明図である。

【図２】第１の実施の形態を示すロータ部を拡大した斜
視図である。

【図３】第１の実施の形態を示す断面図である。

【図４】第２の実施の形態のロータ部を拡大した斜視図
である。

【図５】第３の実施の形態のロータ部を拡大した斜視図
である。

【図６】従来例のロータ部を拡大した斜視図である。

【図７】従来例を示す断面図である。

【図８】従来例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 回転軸 ３ ロータ ４ 溝 ５ コイルばね ６ ベーン ７ コイルばね用穴 ８ ねじ ９ ベアリング １０ スプリングワッシャ １１ ボルト １２ 流入ポート １３ 流出ポート ２２ 回転軸 ２３ ロータ ２４ 溝 ２５ コイルばね ２６ ベーン ２７ コイルばね用穴 ２８ ベーン円筒部 ３２ 回転軸 ３３ ロータ ３４ 溝 ３５ コイルばね ３６ ベーン ３７ コイルばね用穴

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【手続補正書】

【提出日】平成８年６月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】本発明の請求項７記載のベーン式液体回転
機械は、上記ベーン式流体回転機械において、上記ロー
タが直径１ｍｍから２０ｍｍ、長さ１ｍｍから４０ｍｍ
であることを特徴とするものである。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングに回転可能に支持された回転
   軸と、この回転軸と同軸に連結されたロータと、ロータ
   外周に放射状に設けた溝の径方向に摺動する複数のベー
   ンと、該ベーンをロータから押し出すためのコイルばね
   と、ケーシングに作動流体の流入ポートと流出ポートと
   を有するベーン式回転機械において、 上記コイルばねが設けられる穴のロータ外周上の軸方向
   の位置が、隣接もしくは対向するベーンに対して不等な
   構造を有することを特徴とするベーン式流体回転機械。
2. 【請求項２】 請求項１記載のベーン式流体回転機械に
   おいて、 上記ロータ外周に放射状に設けられたベーン溝の回転方
   向の幅に対して、ベーン押し出し用のコイルばねが設け
   られる穴の直径が大きいときに、コイルばねの穴に対し
   て少なくとも片側の気室間との通路を塞ぐ構造部材を有
   することを特徴とするベーン式流体回転機械。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のベーン式流体回転
   機械において、 上記コイルばねが設けられる穴のロータ外周上の軸方向
   の位置が、隣接もしくは対向するベーンに対して不等な
   構造を有し、 且つ、ロータ外周に放射状に設けられたベーン溝の回転
   方向の幅に対して、ベーン押し出し用のコイルばねが設
   けられる穴の直径が大きいときに、コイルばねの穴に対
   して少なくとも片側の気室間との通路を塞ぐ構造部材を
   有することを特徴とするベーン式流体回転機械。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載のベーン式流体回転
   機械において、 ロータ外周に放射状に設けられたベーン溝の回転方向の
   幅に対して、ベーン押し出し用のコイルばねが設けられ
   る穴の直径が大きいときに、コイルばねが設けられる穴
   の位置をロータの回転方向に移動し、コイルばねが設け
   られる穴とベーンの両側の気室の内、片側の気室との流
   路を塞ぐ構造部材を有することを特徴とするベーン式流
   体回転機械。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４記載のベーン式流体回転
   機械において、 ロータ外周に放射状に設けられたベーン溝の回転方向の
   幅に対して、ベーン押し出し用のコイルばねが設けられ
   る穴の直径が大きいときに、ベーンにコイルばねが設け
   られる穴と気室間の流路を塞ぐ構造部材を持つことを特
   徴とするベーン式流体回転機械。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５記載のベーン式流体回転
   機械において、 ロータ外周に放射状に設けられたベーン溝の回転方向の
   幅に対して、ベーン押し出し用のコイルばねが設けられ
   る穴の直径が大きいときに、ロータにコイルばねが設け
   られる穴と気室間の流路を塞ぐ構造部材を持つことを特
   徴とするベーン式流体回転機械。
7. 【請求項７】 請求項１乃至５記載のベーン式流体回転
   機械において、 上記ロータが直径１ｍｍから２０ｍｍ、長さ１ｍｍから
   ４０ｍｍであることを特徴とするベーン式流体回転機
   械。