ЗА РЕГУЛЯТОРЫ ОТВЕТИМ - 2

РЕГУЛЯТОРЫ AQUA LUNG КАК ОНИ УСТРОЕНЫ

Александр КАШУНИН

В предыдущем номере журнала DiveTek мы рассказали об этапах производства различных поколений регуляторов. Сегодня мы рассмотрим их конструктивные особенности на примере линейки регуляторов Aqua Lung - старейшего разработчика и производителя снаряжения для дайвинга. Практически все современные регуляторы имеют две ступени редуцирования давления. Первая (редуктор) понижает высокое давление в баллоне (давление в баллоне вдальнейшем - P¹) до промежуточного давления (его также называют средним или низким - в дальнейшем - P²), а вторая (дыхательный автомат) подаёт смесь под давлением, равным давлению окружающей среды (далее Р^А). Разница между промежуточным давлением и давлением выходящим из второй ступени регулятора (давление окружающей среды) составляет установочное давление. На поверхности промежуточное давление равно установочному. По управляющему элементу регуляторы бывают поршневые и мембранные, по принципу работы - сбалансированные и несбалансированные.

Существует гидростатическая сбалансированность и сбалансированность клапана редуктора по отношению к P¹ . До недавнего времени все регуляторы были гидростатически сбалансированными. Но с появлением регулятора пятого поколения - регулятора Aqua Lung серии Legend - появилась еще одна категория регуляторов. Это гидростатически сверхсбалансированные регуляторы. У них P² растет прямо пропорционально глубине погружения.

СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ КЛАПАНА РЕДУКТОРА

Чаще всего, когда говорят о сбалансированных или несбалансированных регуляторах, то подразумевают сбалансированность клапана редуктора по отношению к P¹, т.е. речь идет о сбалансированности клапана редуктора. Работа клапана сбалансированных регуляторов стабильна и не зависит от P¹. Работа же клапана несбалансированных регуляторов, напротив, напрямую зависит от P¹.

Рассмотрим подробнее устройство разных типов регуляторов.

ПОРШНЕВОЙ НЕСБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР

В современной линейке регуляторов Aqua Lung это NEW CALYPSO. Рассмотрим его устройство и работу (рис. 1).

Управляющим элементом поршневого несбалансированного регулятора является поршень (1), нижняя часть которого является клапаном. В торце поршня закреплена съемная подушка клапана (2). Седло клапана (3) жестко закреплено в корпусе. Если регулятор не нагружен, то клапан открыт, так как поршень отжат пружиной (4). При открытии вентиля баллона сжатый воздух устремляется через фильтр (5) в камеру

высокого давления (6), далее через открытый клапан в полость А камеры редуктора (7). Затем по сквозному каналу В в поршне (1) воздух проходит в полость С камеры установочного давления (7). На поверхности, при достижении в камере редуктора (7) давления 9.2 бар, усилие от давления воздуха на верхнюю часть поршня преодолевает усилие пружины (4) и давления на подушку клапана сжатого воздуха, выходящего из баллона, в результате чего клапан закрывается. В момент вдоха в полости А камеры редуктора создается разряжение воздуха, при этом давление в полости С, соответственно, понижается, и под действием пружины (4) поршень движется вверх - клапан открывается, пропуская воздух на вдох. При прекращении вдоха камера редуктора (7) наполняется воздухом до P² и клапан закрывается.

При таком устройстве регулятора давление в баллоне напрямую оказывает воздействие на клапан. Давление, поступающее из баллона, как бы помогает пружине (4) открыть клапан. Поэтому если в баллоне давление низкое, клапан открывается медленнее, что приводит к медленному наполнению редуктора. В этом проявляется несбалансированность простого поршневого регулятора.

Но, как известно, нет медали без оборотной стороны. Во-первых, согласно требованиям систем обучения подводному плаванию, Вы должны начать подъем на поверхность до того, как у Вас в баллоне останется меньше 50 бар. А при таком количестве воздуха в баллоне дыхание еще вполне легкое. Во-вторых, если Вы забыли проконтролировать давление в баллоне при помощи манометра, это приведет к увеличению сопротивления на вдохе. Что будет сигналом к началу всплытия, а оставшегося воздуха Вам хватит «за глаза».

ГИДРОСТАТИЧЕСКАЯ СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ РЕГУЛЯТОРА NEW CALYPSO

При погружении вода проникает через отверстия (8) в гидростатическую камеру (9). Под действием давления водного столба поршень (1) смещается в сторону камеры С редуктора, открывая клапан.

Вследствие этого в камеру редуктора поступает дополнительное количество воздуха, чтобы закрыть клапан и скомпенсировать давление воды, т.е. давление в камере редуктора увеличивается на величину давления водного столба.

В некоторых моделях поршневых несбалансированных регуляторов гидростатическая камера может заливаться силиконовым маслом или другим специальным составом, при этом отверстия закрываются специальной мембраной. В такой конструкции Р^А на поршень передается через мембрану и силиконовое масло. Это делается для защиты редуктора от обмерзания. Конструкторы добились того, что регулятор NEW CALYPSO можно эксплуатировать в холодной воде без дополнительной установки сухой камеры.

Также необходимо отметить, что инженеры Aqua Lung добились потрясающих результатов рабочих характеристик регулятора NEW CALYPSO. Сопротивление дыханию уменьшилась почти вдвое по сравнению с его предшественником и составляет 0.92 Дж/л (о величине общей работы регуляторов различных типов и диаграммах дыхания читайте статью А. Левандовского «Битва регуляторов» на сайте www.tetis.ru в разделе СТАТЬИ), что приближается к рабочим характеристикам лучших мембранных регуляторов.

Как и все регуляторы Aqua Lung, NEW CALYPSO имеет съемное седло клапана (3), изготовленное из высокопрочной нержавеющей стали. Вероятность повреждения такого седла крайне невелика, но даже если седло повреждено, его будет легко заменить. Большинство регуляторов других производителей имеют седло, которое является частью латунного корпуса. Вероятность повреждения латунного седла значительно выше, к тому же в этом случае потребуется замена корпуса целиком.

«Слабым звеном» простого поршневого регулятора является подушка седла клапана, испытывающая сильные нагрузки. Продавливание подушки, в конце концов, вызывает неспособность клапана удерживать установочное давление, и регулятор начинает «травить». Подушка подлежит замене при периодическом обслуживании регулятора, так же как все уплотнительные кольца и фильтр.

Р² поршневых регуляторов многих производителей предполагает регулировку посредством установления шайб под пружину. И, чтобы отрегулировать Р², нужно каждый раз разбирать регулятор, чтобы установить шайбу. Р² NEW CALYPSO не регулируется, и его величина обусловлена конструкцией регулятора, что удобно при обслуживании.

ПОРШНЕВОЙ СБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР

В нынешней линейке регуляторов Aqua Lung нет поршневого сбалансированного регулятора. Они были сняты с производства в середине 1990-х годов. Компания Aqua Lung решила больше не производить регуляторы этого типа. Дело в том, что их конструкция гораздо сложнее простых поршневых, и, следовательно, они значительно дороже в производстве. Более того, поскольку компания Aqua Lung уделяет огромное внимание устойчивости регуляторов к обмерзанию, то себестоимость производства поршневых сбалансированных холодноводных регуляторов возрастает еще больше. Фактически они становятся дороже мембранных регуляторов. Это можно было бы оправдать, если бы они обладали лучшими характеристиками (по сравнению с мембранными регуляторами). Но это не так.

В рекламных проспектах редко приводятся технические характеристики, требующие специального объяснения, поэтому мало кто знает, что одним из основных показателей работы регулятора является величина падения давления в камере редуктора при вдохе. Эта величина показывает, на сколько должно уменьшиться давление в камере редуктора, чтобы открылся клапан и началась подача воздуха во вторую ступень. Чем меньше величина падения давления, тем быстрее регулятор реагирует на потребность в подаче воздуха в начальной фазе вдоха. Проконтролировать это можно, вкрутив в порт редуктора 3/8" проверочный манометр низкого давления. Так вот, конструктивные особенности поршневых регуляторов принципиально не позволяют сделать эту величину менее 1 бар. В то время как самый обычный мембранный регулятор имеет величину падения давления в камере редуктора 0.5 бар, т.е. мембранные регуляторы как минимум в 2 раза чувствительнее поршневых. Компания Aqua Lung решила, что если уж и производить поршневые регуляторы, то только простые (несбалансированные). Их конструкция проста и надежна, они стоят почти в два раза дешевле мембранных регуляторов. Именно их невысокая цена является оправданием невысокого качества дыхания.

Последний поршневой сбалансированный регулятор, выпускавшийся компанией Aqua Lung и до сих пор эксплуатирующийся многими дайверами, это Pioneer. Рассмотрим его устройство и работу (рис. 2).

Управляющим элементом поршневого сбалансированного регулятора является поршень (1). Подушка (2) клапана жестко закреплена в корпусе регулятора. Торец поршня является седлом клапана. Если регулятор не нагружен, то клапан открыт, так как поршень отжат пружиной (3). При открытии вентиля баллона сжатый воздух устремляется через фильтр (4) в камеру высокого давления (5). Затем через открытый клапан и сквозной канал в поршне (6) воздух попадает в камеру редуктора (7). На поверхности при открытом вентиле давление в камере редуктора (7) составляет 9.2 бар, это усилие на верхнюю часть поршня преодолевает сопротивление пружины (3), и поршень закрывает клапан. В момент вдоха в камере редуктора (7) создается разряжение воздуха, давление понижается, и под действием усилия пружины (3) поршень открывает клапан и пропускает воздух на вдох. При прекращении вдоха камера редуктора (7) наполняется воздухом до Р² и клапан закрывается.

При такой конструкции Р¹ не оказывает влияние на работу клапана, поэтому усилие на вдох не зависит от количества воздуха в баллоне, т.е. регулятор является сбалансированным.

ГИДРОСТАТИЧЕСКАЯ СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ РЕГУЛЯТОРА PIONEER

При погружении вода давит на мембрану (8) гидростатической камеры (9), которая залита силиконовым маслом. Через мембрану (8) и силиконовое масло давление водного столба передается на поршень (1), который смещается в сторону камеры редуктора (7), открывая клапан. Вследствие этого в камеру редуктора поступает дополнительное количество воздуха, чтобы закрыть клапан и скомпенсировать давление воды, т.е. давление в камере редуктора увеличивается на величину давления водного столба.

Силиконовая камера обеспечивает устойчивость регулятора к обмерзанию. Гидростатическая камера многих поршневых сбалансированных регуляторов других производителей открыта для доступа воды. Вместо мембраны (8) в таких регуляторах имеются отверстия. В этом случае регулятор может эксплуатироваться в воде не ниже 10°С согласно стандарту EN250.

«Слабым звеном» поршневого сбалансированного редуктора является уплотнительное кольцо (10), несущее на себе максимальные нагрузки, так как изолирует камеру высокого давления. Именно из-за его истирания чаще всего происходит «травление» воздуха из первой ступени регулятора под водой. Также подушка седла клапана в результате истирания со временем становится неспособной удерживать Р², в результате чего происходит постановка регулятора на свободную подачу воздуха (free flow). Подушка седла клапана, а также все уплотнительные кольца и фильтр подлежат обязательной замене при периодическом техническом обслуживании регулятора. P² регулятора pioneer, также как и new calypso, не регулируется, и его величина обусловлена конструкцией регулятора. Oднако для регулировки многих поршневых сбалансированных регуляторов других производителей используются шайбы - подкладки под пружину. В этом случае, чтобы отрегулировать P², нужно всякий раз разбирать регулятор, чтобы установить шайбу.

МЕМБРАННЫЙ НЕСБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР

Мембранные несбалансированные регуляторы также довольно бессмысленны с экономической точки зрения. Их себестоимость сравнима со сбалансированными мембранными регуляторами, но их рабочие характеристики заведомо ниже, так как их работа зависит от Р¹. В настоящее время регуляторы этого типа практически не производятся никакими компаниями. Здесь мы приведем лишь принципиальную схему устройства мембранного несбалансированного регулятора (рис. 3).

регулятор имеет камеру высокого давления (2), камеру редуктора (3) и гидростатическую камеру (12). Камера редуктора отделена от гидростатической камеры мембраной (4) - управляющим элементом мембранного регулятора. Регулировочная пружина мембраны (5) расположена в гидростатической камере и крепится гайкой (11), которая регулирует степень сжатия пружины (5) и, следовательно, давления пружины (5) на мембрану (4). Прогибаясь внутрь камеры редуктора (3), мембрана изменяет давление в этой камере. Так происходит регулировка Р². В камере высокого давления (2) расположен клапан (8), который подпирается пружиной (9). Посредством толкателя (12) мембрана связана с клапаном (8).

При нагруженном регуляторе, когда делается вдох, воздух в камере редуктора (3) разряжается, вследствие этого мембрана (4) прогибается внутрь камеры редуктора и через толкатель (10) открывает клапан. В результате воздух устремляется на выход во вторую ступень через порт среднего давления (7). При прекращении вдоха камера редуктора заполняется сжатым воздухом до установочного давления, мембрана (4) выпрямляется в исходное положение, и клапан закрывается. В такой конструкции положение клапана зависит от положения мембраны, на которую давит пружина (5), с одной стороны, и от степени сжатия пружины (9) и Р¹,с другой стороны.

Чтобы уменьшить влияние Р¹ на работу клапана, его отверстие делалось как можно меньше, однако это сказывалось на производительности редуктора.

ГИДРОСТАТИЧЕСКАЯ СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ РЕГУЛЯТОРА

Гайка (11) имеет отверстие, через которое вода проникает в гидростатическую камеру и оказывает давление на мембрану (4), которая, прогибаясь в камеру редуктора (3), вызывает открытие клапана (8). Вследствие этого давление в камере редуктора вырастает на величину Р^А, мембрана (4) прогибается обратно и клапан закрывается. Это обеспечивает гидростатическую сбалансированность регулятора.

МЕМБРАННЫЙ СБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР

Мембранные сбалансированные регуляторы, имеющиеся в современной линейке Aqua Lung - это TITAN и COUSTEAU. По сути TITAN является компактной версией COUSTEAU. Рассмотрим устройство и работу регулятора TITAN (рис. 4).

Управляющим элементом мембранного сбалансированного регулятора является мембрана (1). Через толкатель (2) она связана с клапаном (3), который прижимается к седлу клапана (4) усилием двух пружин (9) и (10). Седло клапана (4) жестко закреплено в корпусе. Если регулятор не нагружен, то клапан под действием пружины (5) открыт. При открытии вентиля баллона Р¹ устремляется через фильтр (6) в камеру высокого давления (7), затем через открытый клапан в камеру редуктора среднего давления (8). На поверхности при достижении в камере редуктора (8) давления 9.2 бар усилие от давления воздуха на мембрану (1) преодолевает усилие пружины (5), мембрана (1) выравнивается, и под действием пружины (9) и пружины (10) клапан закрывается. В момент вдоха в камере редуктора (8) создается разрежение воздуха, давление понижается, и мембрана (1) под действием усилия пружины (5) прогибается в сторону камеры редуктора (8) и через толкатель (2), преодолевая усилие пружин (9) и (10), открывает клапан и пропускает воздух на вдох. При прекращении вдоха камера редуктора (8) наполняется Р² и клапан закрывается. Одним из главных элементов сбалансированного мембранного регулятора является балансировочная камера (11), внутри которой воздух находится под давлением, равным давлению в камере редуктора (8). В результате работа клапана не зависит от Р¹. В механизме клапана регулятора TITAN, в отличие от многих аналогичных конструкций, направляющая клапана (12), расположенная внутри балансировочной камеры (11), подвешена между двумя пружинами (9) и (10). При уменьшении давления в баллоне пружина (2) выталкивает направляющую клапана вверх, сжимая пружину (1). При этом увеличиваются ход клапана и эффективное сечение клапана. Такая конструкция обеспечивает различие в действии механизма клапана при изменении давления в баллоне, стабилизируя объем подаваемого воздуха (подробное изложение с расчетами читайте в статье А. Левандовского «Битва регуляторов-2. Секретное оружие» на сайте www.tetis.ru в разделе СТАТЬИ).

Р² регулятора TITAN регулируется при помощи гайки (13), которая изменяет степень сжатия пружины (5) и, следовательно, давления пружины (5) на мембрану (1). Прогибаясь внутрь камеры редуктора (8), мембрана изменяет давление в этой камере.

Важным преимуществом регулятора TITAN является наличие системы Air Turbo. Под мембраной в корпусе регулятора имеется дополнительное отверстие (17), ведущее в камеру редуктора. При разрежении воздуха в камере редуктора, наступающего в результате совершения вдоха, происходит дополнительное инжектирование через канал системы Air Turbo. В результате мембрана быстрее реагирует на вдох, а также обеспечивает более стабильную подачу воздуха на протяжении всей фазы вдоха.

ГИДРОСТАТИЧЕСКАЯ СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ РЕГУЛЯТОРА TITAN

При погружении вода проникает через отверстие регулировочной гайки (13) в гидростатическую камеру (14). Под действием Р^А мембрана прогибается в сторону камеры редуктора (8), открывая клапан. Вследствие этого давление в камере редуктора увеличивается на величину Р^А, и, таким образом, клапан закрывается, компенсируя избыточное давление воды.

Гидростатическая камера регулятора TITAN в версии SUPREME закрыта мембраной, изолируя пружину (5) от внешней среды. Р^А передается на основную мембрану (1) через силиконовую мембрану (15) посредством толкателя (16). Это есть так называемая «сухая камера» - изобретение компании Aqua Lung. Она обеспечивает устойчивость регулятора к обмерзанию и защищает гидростатическую камеру от загрязнения.

Мембранные регуляторы других производителей для обеспечения устойчивости регулятора к обмерзанию предполагают заливку гидростатической камеры силиконовым маслом или другим подобным веществом. Поверх такой камеры устанавливается колпачок или дополнительная мембрана. Через эту мембрану и силиконовое масло Р^А передается на основную мембрану.

Сухая камера выгодно отличается от силиконовой простотой и надежностью конструкции, а также не требует дополнительных затрат при периодическом техническом обслуживании регулятора.

При техническом обслуживании мембранных регуляторов необходимо менять мембрану, подушку седла клапана, все уплотнительные кольца и фильтр.

МЕМБРАННЫЙ СВЕРХСБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР

Почему же все-таки на больших глубинах мы ощущаем большее усилие на вдох, даже если регулятор гидростатически сбалансирован и имеет сбалансированный клапан редуктора, работа которого не зависит от P¹?

Дело в том, что на глубине в результате возрастания Р^А воздух имеет большую плотность, а, следовательно, вязкость. Сила трения при прохождении воздухом каналов и сечений увеличивается, и, следовательно, за единицу времени на вдох поступает меньше воздуха.

Чтобы обеспечить стабильную сбалансированную работу механизмов регулятора, независимо от Р^А и Р¹ , был придуман сверхсбалансированный регулятор. Сверхсбалансированность означает, что Р² регулятора увеличивается прямо пропорционально глубине. Сделано это для того, чтобы скомпенсировать возрастающую плотность, и соответственно, и вязкость воздуха, на больших глубинах, чтобы, в свою очередь, подавать воздух на вдох в одинаковом объеме за единицу времени как на поверхности, так и на глубине. Мембранные сверх-сбалансированные регуляторы в настоящее время представлены только серией регуляторов Legend компании Aqua Lung.

Таким образом, регулятор Legend максимально приближен к идеальному регулятору - мечте конструкторов и дайверов - в котором дышится одинаково легко как на поверхности, так и на глубине. С точки зрения сбалансированности работы клапана редуктора, регулятор Legend является сбалансированным, как и остальные мембранные регуляторы Aqua Lung, т.е. подача воздуха на вдох не зависит от давления воздуха в баллоне.

Рассмотрим устройство сверхсбалансированного мембранного регулятора Legend (рис. 5).

В регуляторе TITAN диаметр силиконовой мембраны сухой камеры рассчитан так, чтобы с каждым увеличением Р^А на 1 бар давление в камере редуктора также увеличивалось на 1 бар.

В регуляторе Legend диаметр силиконовой мембраны сухой камеры чуть больше, чем у регулятора TITAN при одинаковом диаметре основной мембраны. Следовательно, при увеличении Р^А, в результате разницы площадей двух мембран, давление в камере редуктора с увеличением глубины возрастает на большую величину, т.е. Р² регулятора Legend увеличивается с глубиной. В результате увеличения Р² на глубине воздух быстрее проходит по каналам, что компенсирует его возросшую плотность. Поэтому дайвер ощущает одинаково легкое дыхание, как на поверхности так и на глубине.

Таким образом, устройство сухой камера регулятора Legend обеспечивает не только защиту первой ступени от холодной воды и загрязнения, но и является главным условием сверхсбалансированности.

Так как Р² регулятора Legend растет с глубиной, то обычные (несбалансированные) вторые ступени регуляторов к нему не подходят, ибо будут реагировать на увеличение Р² как предохранительный клапан. Для работы со сверхсбалансированными регуляторами предназначены сбалансированные вторые ступени регуляторов.

Об устройстве вторых ступеней регуляторов читайте в продолжении статьи в следующем номере журнала: