52 D i v e Te k [ 3 ] 2 0 0 4 ЗА РЕГУЛЯТОРЫ ОТВЕТИМ – 2 Александр КАШУНИН РЕГУЛЯТОРЫ AQUA LUNG КАК ОНИ УСТРОЕНЫ ПОРШНЕВОЙ НЕСБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР В современной линейке р-ров Aqua Lung это NEW CALYPSO. Рассмотрим его устройство и работу (рис. 1). Управляющим элементом поршневого несбалансированного р-ра является поршень (1), нижняя часть которого является клапаном. В торце поршня закреплена съемная подушка клапана (2). Седло клапана (3) жестко закреплено в корпусе. Если р-р не нагружен, то клапан открыт, так как поршень отжат пружиной (4). При открытии вентиля баллона сжатый воздух устремляется через фильтр (5) в камеру СЖАТЫЙ ВОЗДУХ 2-Я СТУПЕНЬ В предыдущем номере журнала DiveTek мы рассказали об этапах производства различных поколений регуляторов (в дальнейшем регулятор мы будем обозначать как р-р). Сегодня мы рассмотрим их конструктивные особенности на примере линейки р-ров Aqua Lung – старейшего разработчика и производителя снаряжения для дайвинга. Практически все современные р-ры имеют две ступени редуцирования давления. Первая (редуктор) понижает высокое давление в баллоне (давление в баллоне в дальнейшем – 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 РА). 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 р-ры 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 р-ры были гидростатически сбалансированными. Но с появлением р-ра пятого поколения – р-ра Aqua Lung серии Legend – появилась еще одна категория р-ров. Это гидростатически сверхсбалансированные р-ры. У них P2 растет прямо пропорционально глубине погружения. СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ КЛАПАНА РЕДУКТОРА Чаще всего, когда говорят о сбалансированных или несбалансированных ррах, то подразумевают сбалансированность клапана редуктора по отношению к P1, т.е. речь идет о сбалансированности клапана редуктора. Работа клапана сбалансированных р-ров стабильна и не зависит от P1. Работа же клапана несбалансированных р-ров, напротив, напрямую зависит от P1. Рассмотрим подробнее устройство разных типов р-ров. РИСУНОК 1. Схема поршневого несбалансированного регулятора NEW CALYPSO. 1 – поршень; 2 – подушка клапана; 3 – седло клапана; 4 – пружина; 5 – фильтр; 6 – камера высокого давления; 7 – камера редуктора; 8 – гидростатическое отверстие; 9 – гидростатическая камера; 10 – уплотнительные кольца (O-ring); А – полость камеры редуктора; В – сквозной канал поршня; С – полость камеры редуктора www.dive-tek.ru 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 р-ра 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 р-ра. 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. 53 СНАРЯЖЕНИЕ 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 р-ров гидростатическая камера может заливаться силиконовым маслом или другим специальным составом, при этом отверстия закрываются специальной мембраной. В такой конструкции РА на поршень передается через мембрану и силиконовое масло. Это делается для защиты редуктора от обмерзания. Конструкторы добились того, что р-р NEW CALYPSO можно эксплуатировать в холодной воде без дополнительной установки сухой камеры. Также необходимо отметить, что инженеры Aqua Lung добились потрясающих результатов рабочих характеристик р-ра NEW CALYPSO. Сопротивление дыханию уменьшилась почти вдвое по сравнению с его предшественником и составляет 0.92 Дж/л (о величине общей работы р-ров 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 р-ров. Как и все р-ры 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 р-ров 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 р-ра является подушка седла клапана, испытывающая сильные нагрузки. Продавливание подушки, в конце концов, вызывает неспособность клапана удерживать установочное давление, и р-р начинает «травить». Подушка подлежит замене при периодическом обслуживании р-ра, так же как все уплотнительные кольца и фильтр. Р2 поршневых р-ров многих производителей предполагает регулировку посредством установления шайб под пружину. И, чтобы отрегулировать Р2, нужно каждый раз разбирать р-р, чтобы установить шайбу. Р2 NEW CALYPSO не регулируется, и его величина обусловлена конструкцией р-ра, что удобно при обслуживании. ПОРШНЕВОЙ СБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР В нынешней линейке р-ров Aqua Lung нет поршневого сбалансированного рра. Они были сняты с производства в се- редине 1990-х годов. Компания Aqua Lung решила больше не производить р-ры 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 р-ров к обмерзанию, то себестоимость производства поршневых сбалансированных холодноводных р-ров возрастает еще больше. Фактически они становятся дороже мембранных р-ров. Это можно было бы оправдать, если бы они обладали лучшими характеристиками (по сравнению с мембранными р-рами). Но это не так. В рекламных проспектах редко приводятся технические характеристики, требующие специального объяснения, поэтому мало кто знает, что одним из основных показателей работы р-ра 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 р-р 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 р-ров принципиально не позволяют сделать эту величину менее 1 бар. В то время как самый обычный мембранный р-р имеет величину падения давления в камере редуктора 0.5 бар, т.е. мембранные р-ры как минимум в 2 раза чувствительнее поршневых. Компания Aqua Lung решила, что если уж и производить поршневые р-ры, то только простые (несбалансированные). Их конструкция проста и надежна, они стоят почти в два раза дешевле мембранных р-ров. Именно их невысокая цена является оправданием невысокого качества дыхания. Последний поршневой сбалансированный р-р, выпускавшийся компанией Aqua Lung и до сих пор эксплуатирующийся многими дайверами, это Pioneer. Рассмотрим его устройство и работу (рис. 2). Управляющим элементом поршневого сбалансированного р-ра является поршень (1). Подушка (2) клапана жестко закреплена в корпусе р-ра. Торец поршня является седлом клапана. Если р-р 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 www.dive-tek.ru СЖАТЫЙ ВОЗДУХ 2-Я СТУПЕНЬ РИСУНОК 2. Схема поршневого сбалансированного регулятора Pioneer. 1 – поршень, 2 – подушка клапана; 3 – пружина; 4 – фильтр; 5 – камера высокого давления; 6 – сквозной канал поршня; 7 – камера редуктора; 8 – мембрана; 9 – гидростатическая камера; 10 – уплотнительное кольцо поршня (O-ring) 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. р-р 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 р-ра к обмерзанию. Гидростатическая камера многих поршневых сбалансированных р-ров других про- 54 D i v e Te k [ 3 ] 2 0 0 4 изводителей открыта для доступа воды. Вместо мембраны (8) в таких р-рах имеются отверстия. В этом случае р-р 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 р-ра под водой. Также подушка седла клапана в результате истирания со временем становится неспособной удерживать Р2, в результате чего происходит постановка р-ра на свободную подачу воздуха (free flow). Подушка седла клапана, а также все уплотнительные кольца и фильтр подлежат обязательной замене при периодическом техническом обслуживании р-ра. P2 р-ра pioneer, также как и new calypso, не регулируется, и его величина обусловлена конструкцией р-ра. Oднако для регулировки многих поршневых сбалансированных р-ров других производителей используются шайбы – подкладки под пружину. В этом случае, чтобы отрегулировать P2, нужно всякий раз разбирать р-р, чтобы установить шайбу. МЕМБРАННЫЙ НЕСБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР Мембранные несбалансированные р-ры также довольно бессмысленны с экономической точки зрения. Их себестоимость сравнима со сбалансированными мембранными р-рами, но их рабочие характеристики заведомо ниже, так как их работа зависит от Р1. В настоящее время р-ры этого типа практически не производятся никакими компаниями. Здесь мы приведем лишь принципиальную схему устройства мембранного несбалансированного р-ра (рис. 3). Р-р имеет камеру высокого давления (2), камеру редуктора (3) и гидростатическую камеру (12). Камера редукто- ра отделена от гидростатической камеры мембраной (4) – управляющим элементом мембранного р-ра. 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 р-ре, 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 РА, мембрана (4) прогибается обратно и клапан закрывается. Это обеспечивает гидростатическую сбалансированность р-ра. МЕМБРАННЫЙ СБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР РИСУНОК 3. Принципиальная схема мембранного сбалансированного регулятора. 1 – сжатый воздух; 2 – камера высокого давления; 3 – камера редуктора; 4 – мембрана; 5 – пружина; 6 – давление воды; 7 – выход на 2-ю ступень; 8 – клапан; 9 – пружина; 10 – толкатель; 11 – регулировочная гайка; 12 – гидростатическая камера. Мембранные сбалансированные р-ры, имеющиеся в современной линейке Aqua Lung – это TITAN и COUSTEAU. По сути TITAN является компактной версией COUSTEAU. Рассмотрим устройство и работу р-ра TITAN (рис. 4). Управляющим элементом мембранного сбалансированного р-ра 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 р-р не нагружен, то клапан под действием пружины (5) открыт. При откры- www.dive-tek.ru СЖАТЫЙ ВОЗДУХ ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ РИСУНОК 4. Схема мембранного сбалансированного регулятора TITAN. 1 – мембрана; 2 – толкатель; 3 – клапан; 4 – седло клапана; 5 – пружина; 6 – фильтр; 7 – камера высокого давления; 8 – камера редуктора; 9 – пружина; 10 – пружина; 11 – балансировочная камера; 12 – направляющая клапана; 13 – регулировочная гайка; 14 – гидростатическая камера; 15 – силиконовая мембрана; 16 – толкатель; 17 – канал Air Turbo; 18 – уплотнительные кольца (O-ring) тии 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 р-ра 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 р-ра 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 увели- 55 СНАРЯЖЕНИЕ чиваются 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 р-ра 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 р-ра TITAN является наличие системы Air Turbo. Под мембраной в корпусе р-ра 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 РА мембрана прогибается в сторону камеры редуктора (8), открывая клапан. Вследствие этого давление в камере редуктора увеличивается на величину РА, и, таким образом, клапан закрывается, компенсируя избыточное давление воды. Гидростатическая камера р-ра TITAN в версии SUPREME закрыта мембраной, изолируя пружину (5) от внешней среды. РА 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 р-ра к обмерзанию и защищает гидростатическую камеру от загрязнения. Мембранные р-ры других производителей для обеспечения устойчивости р-ра 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 РА передается на основную мембрану. Сухая камера выгодно отличается от силиконовой простотой и надежностью конструкции, а также не требует дополнительных затрат при периодическом техническом обслуживании р-ра. При техническом обслуживании мембранных р-ров необходимо менять мембрану, подушку седла клапана, все уплотнительные кольца и фильтр. СЖАТЫЙ ВОЗДУХ МЕМБРАННЫЙ СВЕРХСБАЛАНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР Почему же все-таки на больших глубинах мы ощущаем большее усилие на вдох, даже если р-р гидростатически сбалансирован и имеет сбалансированный клапан редуктора, работа которого не зависит от P1? Дело в том, что на глубине в результате возрастания РА 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 р-ра, независимо от РА и Р1 , был придуман сверхсбалансированный р-р. Сверхсбалансированность означает, что Р2 р-ра 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 сверхсбалансированные р-ры в настоящее время представлены только серией рров Legend компании Aqua Lung. Таким образом, р-р Legend максимально приближен к идеальному р-ру – мечте конструкторов и дайверов – в котором дышится одинаково легко как на поверхности, так и на глубине. С точки зрения сбалансированности работы клапана редуктора, р-р Legend является сбалансированным, как и остальные мембранные р-ры Aqua Lung, т.е. подача воздуха на вдох не зависит от давления воздуха в баллоне. Рассмотрим устройство сверхсбалансированного мембранного р-ра Legend (рис. 5). Р-р Legend имеет конструкцию, очень схожую с р-рами TITAN и COUSTEAU. Главное отличие – это устройство гидростатической камеры (1). Ее обязательным элементом является сухая камера. Гидростатическая камера закрыта силиконовой мембраной (2) и через толкатель (3) передает РА на основную мембрану р-ра (4). В р-ре TITAN диаметр силиконовой мембраны сухой камеры рассчитан так, чтобы с каждым увеличением РА на 1 бар давление в камере редуктора также увеличивалось на 1 бар. В р-ре Legend диаметр силиконовой мембраны сухой камеры чуть больше, чем у р-ра TITAN при одинаковом диаметре основной мембраны. Следователь- www.dive-tek.ru 2-Я СТУПЕНЬ РИСУНОК 5. Схема мембранного сверхсбалансированного регулятора Legend. 1 – гидростатическая камера; 2 – силиконовая мембрана; 3 – толкатель; 4 – основная мембрана; 5 – фильтр; 6 – камера высокого давления; 7 – клапан; 8 – балансировочная камера; 9 – седло клапана; 10 – камера редуктора; 11 – канал Air Turbo; 12 – толкатель; 13 – пружина; 14 – пружина; 15 – регулировочная гайка. но, при увеличении РА, в результате разницы площадей двух мембран, давление в камере редуктора с увеличением глубины возрастает на большую величину, т.е. Р2 р-ра 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 р-ра Legend обеспечивает не только защиту первой ступени от холодной воды и загрязнения, но и является главным условием сверхсбалансированности. Так как Р2 р-ра Legend растет с глубиной, то обычные (несбалансированные) вторые ступени р-ров к нему не подходят, ибо будут реагировать на увеличение Р2 как предохранительный клапан. Для работы со сверхсбалансированными р-рами предназначены сбалансированные вторые ступени р-ров. Об устройстве вторых ступеней регуляторов читайте в продолжении статьи в следующем номере журнала…