Регулятори Aqua Lung - як вони влаштовані
Регулятори Aqua Lung - як вони влаштовані
Докладний опис типів і принципів роботи регуляторів Aqua Lung.
У попередньому номері [2] журналу DIVETEK ми розповіли про етапи регуляторостроенія і про покоління регуляторів на прикладі регуляторів Aqua Lung - компанії, яка пройшла всі відомі етапи розробки і виробництва регуляторів. Основною темою даної статті стане обговорення конструктивних особливостей різних типів регуляторів першої та другої щаблів на прикладі регуляторів Aqua Lung.
Практично всі сучасні регулятори мають дві рознесені ступеня редукування тиску стисненого повітря. Перша ступінь (у вітчизняній термінології - редуктор) знижує тиск стисненого повітря, що знаходиться в балоні до проміжного тиску (його називають також середнім або низьким). Друга ступінь (у вітчизняній термінології - дихальний автомат) знижує тиск до тиску навколишнього середовища, при якому людина може зробити вдих. Різниця між проміжним тиском і тиском повітря, що виходить з другого ступеня регулятора (тиск навколишнього середовища) становить настановний тиск регулятора. На поверхні проміжне тиск дорівнює установчому.
По керуючому елементу редуктори поділяють на поршневі і мембранні. По відношенню до тиску навколишнього середовища мембранні регулятори можуть бути збалансованими або сверхсбалансированными. По відношенню до залежності роботи клапана редуктора від тиску повітря в балоні поршневі і мембранні регулятори поділяють на незбалансовані (прості) і збалансовані. Таким чином, існує два види збалансованості регулятора.
Гідростатична збалансованість
Практично всі регулятори збалансовані по відношенню до тиску водяного стовпа. Це так звана гідростатична збалансованість регулятора. Вона передбачає, що настановний тиск в камері редуктора не залежить від тиску водяного стовпа. Як відомо, кожні 10 м водяного стовпа додають до тиску навколишнього середовища 1 бар. Регулятори влаштовані так, що тиск в камері редуктора також збільшується на 1 бар через кожні 10 метрів товщі води. Таким чином, різниця між тиском в камері редуктора і тиском води постійна, що забезпечує однакове навантаження на другу сходинку регулятора на різних робочих глибинах.
Наприклад, на поверхні настановний тиск регулятора Titan, і воно ж - тиск в камері редуктора, одно 9.2 бар. На глибині 20 метрів, де надлишковий тиск водяного стовпа дорівнює 2 бар тиск в камері редуктора одно 11.2 бар. При цьому ми вважаємо, що настановний тиск, як і раніше, одно 9.2 бар (11.2 бар в камері редуктора мінус 2 бар водного стовпа одно 9.2 бар).
До недавнього часу всі регулятори були гидростатически збалансованими. Але з появою регулятора п'ятого покоління - регулятора Aqua Lung серії Legend - з'явилася ще одна категорія регуляторів. Це гидростатически сверхсбалансированные регулятори. У сверхсбалансированных регуляторів настановний тиск зростає з глибиною. На поверхні настановний тиск регулятора Legend одно 9.5 бар, а на глибині 20 метрів тиск в камері редуктора одно 12.3 бар. Таким чином, при надлишковому тиску водяного стовпа 2 бар настановний тиск регулятора Legend одно 10.3 бар (12.3 - 2 = 10.3 бар), а не 9.5 бар, як це можна було б очікувати у звичайного регулятора. Для чого це було зроблено, дивіться нижче.
Збалансованість клапана редуктора
Найчастіше, коли говорять про збалансованих або незбалансованих регуляторах, то мають на увазі збалансованість клапана редуктора по відношенню до тиску повітря в балоні, тобто мова йде про збалансованість клапана редуктора. Робота клапана збалансованих регуляторів першої ступені стабільна і не залежить від тиску повітря в балоні. Робота ж клапана незбалансованих регуляторів, навпаки, прямо залежить від тиску повітря в балоні. Розглянемо докладніше пристрій різних типів регуляторів.
1. Поршневий незбалансований
І так, поршневий незбалансований регулятор 1-го ступеня. В сучасній лінійці регуляторів Aqua Lung це NEW CALYPSO. Розглянемо пристрій і роботу регулятора NEW CALYPSO (рис.1).
Малюнок 1. Схема поршневого незбалансованого регулятора NEW CALYPSO. 1 - поршень; 2 - подушка клапана; 3 - сідло клапана; 4 - пружина; 5 - фільтр; 6 - камера високого тиску; 7 - камера редуктора; 8 - гідростатичний отвір; 9 - гідростатична камера; 10 - ущільнювальні кільця (O-ring); А - порожнина камери редуктора; В - наскрізний канал поршня; З - порожнина камери редуктора.
Керуючим елементом поршневого незбалансованого регулятора є поршень (1), нижня частина якого є клапаном. У торці поршня закріплена знімна подушка клапана (2). Сідло клапана (3) жорстко закріплене в корпусі. Якщо регулятор не навантажений, то клапан відкритий, т. к. поршень віджатий пружиною (4). При відкритті вентиля балона стиснене повітря спрямовується через фільтр (5) в камеру високого тиску (6). Далі через відкритий клапан у порожнину "А" камери редуктора (7). Потім по наскрізного каналу "У" у поршні (1) повітря проходить у порожнину "З" камери редуктора середнього тиску (7). На поверхні, при досягненні в камері редуктора (7) тиску 9.2 бар, зусилля від тиску повітря на верхню частину поршня долає зусилля пружини (4) і тиск на подушку клапана стисненого повітря, що виходить з балона, внаслідок чого клапан закривається. У момент вдиху в порожнині "А" камери редуктора створюється розрядження повітря, при цьому тиск в порожнині "З" відповідно знижується, і під дією пружини (4) поршень рухається вгору - клапан відкривається, пропускаючи повітря на вдих. При припиненні вдиху камера редуктора (7) наповнюється повітрям до інсталяційного тиску і клапан закривається.
При такому пристрої регулятора тиск стисненого повітря балона безпосередньо впливає на клапан. Стиснене повітря, що надходить з балона, як би допомагає пружині (4) відкрити клапан. Тому якщо в балоні тиск стисненого повітря низька, клапан відкривається повільніше, що призводить до повільного наповнення редуктора. В цьому проявляється незбалансованість простого поршневого регулятора.
Але, як відомо, в кожному недоліку є частина достоїнств. По-перше, відповідно до вимог систем навчання підводному плаванню, Ви повинні почати підйом на поверхню до того, як у Вас в балоні залишиться менше 50 бар. А при такій кількості повітря в балоні дихання ще цілком легке. По-друге, якщо Ви забули проконтролювати тиск повітря в балоні за допомогою манометра, то зменшення запасу повітря призведе до збільшення опору на вдиху. Це буде сигналом до початку спливання, а залишився повітря Вам вистачить "позаочі".
Гідростатична збалансованість регулятора NEW CALYPSO.
При зануренні вода проникає через отвори (8) в гідростатичну камеру (9). Під дією тиску водяного стовпа поршень (1) зміщується в бік порожнини "З" камери редуктора, відкриваючи клапан. Внаслідок цього в камеру редуктора надходить додаткова кількість повітря, щоб закрити клапан і компенсувати тиск води. Тобто тиск у камері редуктора збільшується на величину тиску водяного стовпа.
У деяких моделях поршневих незбалансованих регуляторів гідростатична камера може заливатися силіконовим маслом або іншим спеціальним складом, при цьому отвори закриваються спеціальною мембраною. У такій конструкції тиск навколишнього середовища на поршень передається через мембрану і силіконове масло. Це робиться для захисту редуктора від холодної води. Конструктори компанії Aqua Lung домоглися того, що регулятор NEW CALYPSO можна експлуатувати в холодній воді без додаткової установки силіконової камери.
Також необхідно відзначити, що інженери Aqua Lung добилися приголомшливих результатів робочих характеристик регулятора NEW CALYPSO. Його загальна робота зменшилася майже вдвічі порівняно зі своїм попередником і становить 0.92 Дж/л [*], що наближається до робочих характеристик кращих мембранних регуляторів.
[*] Примітка: Про величину загальної роботи регуляторів різних типів і діаграмах дихання читайте статтю А. Левандовського "Битва регуляторів".
Як і всі регулятори Aqua Lung, NEW CALYPSO має знімне сідло клапана (3), виготовлену з високоміцної нержавіючої сталі. Ймовірність пошкодження такого сідла вкрай невелика, але навіть якщо пошкоджено сідло, його буде легко замінити. Більшість регуляторів інших виробників мають сідло, яке є частиною латунного корпусу. Ймовірність пошкодження латунного сідла значно вище, до того ж у цьому випадку буде потрібно заміна корпусу цілком.
"Слабкою ланкою" простого поршневого регулятора першого ступеня є подушка сідла клапана, відчуває сильні навантаження. Продавлювання подушки, зрештою, викликає нездатність клапана утримувати настановний тиск, і регулятор починає "труїти". Подушка підлягає заміні при періодичному обслуговуванні регулятора, так само як і всі ущільнювальні кільця і фільтр.
Настановний тиск поршневих регуляторів багатьох виробників передбачає регулювання за допомогою встановлення шайб під пружину. Тому, щоб відрегулювати настановний тиск, потрібно всякий раз розбирати регулятор, щоб встановити шайбу. Настановний тиск NEW CALYPSO не регулюється, і його величина обумовлена конструкцією регулятора. Це досить зручно при обслуговуванні регулятора.
2. Поршневий збалансований
В сучасній лінійці регуляторів Aqua Lung немає поршневого збалансованого регулятора. Вони були зняті з виробництва в середині 90-х років минулого сторіччя. Компанія Aqua Lung вирішила більше не виробляти регулятори цього типу. Справа в тому, що їх конструкція набагато складніше простих поршневих, і, отже, вони значно дорожче у виробництві. Більше того, оскільки компанія Aqua Lung приділяє величезну увагу стійкості регуляторів до обмерзання, то собівартість виробництва поршневих збалансованих холодноводних регуляторів зростає ще більше. Фактично вони стають дорожчими мембранних регуляторів. І це було б виправдано, якби вони володіли кращими характеристиками в порівнянні з мембранними регуляторами, але справа йде зовсім навпаки.
У рекламних проспектах рідко наводяться технічні характеристики, потребують спеціального пояснення, тож мало хто знає, що одним із основних показників роботи регулятора першого ступеня є величина падіння тиску в камері редуктора при вдиху. Ця величина показує, на скільки повинна зменшитися тиск в камері редуктора, щоб відкрився клапан, і почалася подача повітря у другу сходинку. Чим менше величина падіння тиску, тим швидше регулятор реагує на потребу в подачі повітря в початковій фазі вдиху. Проконтролювати це можна, вкрутити в порт редуктора 3/8" контрольний манометр низького тиску. Так от, конструктивні особливості поршневих регуляторів принципово не дозволяють зробити цю величину менше 1 бар. У той час як самий звичайний мембранний регулятор має величину падіння тиску в камері редуктора 0.5 бар, т. е. мембранні регулятори як мінімум в 2 рази чутливіші поршневих. Тому компанія Aqua Lung вирішила, що якщо вже і робити поршневі регулятори, то тільки - прості (незбалансовані). Їх конструкція проста і надійна, вони коштують майже в два рази дешевше мембранних регуляторів. Саме їх невисока ціна є хорошим виправданням деяких компромісів в якості дихання.
Останній поршневий збалансований регулятор, що випускався компанією Aqua Lung і досі эксплуатирующийся багатьма дайверами, це PIONEER. Розглянемо його будову і роботу (рис 2).
Малюнок 2. Схема поршневого збалансованого регулятора Pioneer. 1 - поршень, 2 - подушка клапана; 3 - пружина; 4 - фільтр; 5 - камера високого тиску; 6 - наскрізний канал поршня; 7 - камера редуктора; 8 - фільтр; 9 - гідростатична камера; 10 - ущільнювальне кільце поршня (O-ring).
Керуючим елементом поршневого збалансованого регулятора є поршень (1). Подушка (2) клапана жорстко закріплена в корпусі регулятора. Торець поршня є сідлом клапана. Якщо регулятор не навантажений, то клапан відкритий, т. к. поршень віджатий пружиною (3). При відкритті вентиля балона стиснене повітря спрямовується через фільтр (4) в камеру високого тиску (5). Потім через відкритий клапан і наскрізний канал в поршні (6) повітря потрапляє в камеру редуктора (7). На поверхні при досягненні в камері редуктора (7) тиску 9.2 бар, зусилля від тиску повітря на верхню частину поршня долає зусилля пружини (3), і поршень закриває клапан. У момент вдиху в камері редуктора (7) створюється розрядження повітря, тиск знижується, і під дією зусилля пружини (3) поршень відкриває клапан і пропускає повітря на вдих. При припиненні вдиху камера редуктора (7) наповнюється повітрям до інсталяційного тиску і клапан закривається.
При такій конструкції тиск стисненого повітря в балоні не впливає на роботу клапана, тому зусилля на вдих не залежить від кількості повітря в балоні, тобто регулятор є збалансованим.
Гідростатична збалансованість регулятора Pioneer
При зануренні вода тисне на мембрану (8) гідростатичної камери (9), яка залита силіконовим маслом. Через мембрану (8) і силіконове масло тиск водяного стовпа передається на поршень (1), який зміщується в бік камери редуктора (7), відкриваючи клапан. Внаслідок цього в камеру редуктора надходить додаткова кількість повітря, щоб закрити клапан і компенсувати тиск води. Тобто тиск у камері редуктора збільшується на величину тиску водяного стовпа.
Силіконова камера забезпечує стійкість регулятора до обмерзання. Гідростатична камера багатьох поршневих збалансованих регуляторів інших виробників відкрита для доступу води. Замість мембрани (8) в таких регуляторів є отвори. У цьому випадку регулятор може експлуатуватися у воді не нижче 10°С згідно стандарту EN250.
Найбільш "слабкою ланкою" поршневого збалансованого редуктора є ущільнювальне кільце (10), що несе на собі максимальні навантаження, т. к. ізолює камеру високого тиску. Саме за його стирання найчастіше відбувається "травлення" повітря з першої сходинки регулятора під водою. Також подушка сідла клапана в результаті стирання з часом стає здатною утримувати настановний тиск, внаслідок чого відбувається постановка регулятора на вільну подачу повітря. Подушка сідла клапана, а також усі ущільнювальні кільця і фільтр підлягають обов'язковій заміні при періодичному технічному обслуговуванні регулятора. Настановний тиск регулятора PIONEER, також як і NEW CALYPSO, не регулюється, і його величина обумовлена конструкцією регулятора. Однак для регулювання багатьох поршневих збалансованих регуляторів інших виробників використовуються шайби - підкладки під пружину. У цьому випадку, щоб відрегулювати настановний тиск, потрібно всякий раз розбирати регулятор, щоб встановити шайбу.
3. Мембранний незбалансований
Мембранні незбалансовані регулятори також досить безглузді з економічної точки зору. Їх собівартість порівнянна зі збалансованими мембранними регуляторами, але їх робочі характеристики завідомо нижчою, так як їх робота залежить від тиску стисненого повітря в балоні. В даний час регулятори цього типу практично не виробляються ніякими компаніями. Тут ми наведемо лише принципову схему пристрою мембранного незбалансованого редуктора (рис.3).
Малюнок 3. Принципова схема мембранного збалансованого регулятора. 1 - стиснене повітря; 2 - камера високого тиску; 3 - камера редуктора; 4 - мембрана; 5 - пружина; 6 - тиск води; 7 - вихід на 2-й ступінь; 8 - клапан; 9 - пружина; 10 - штовхач; 11 - регулювальна гайка; 12 - гідростатична камера.
Регулятор має камеру високого тиску (2), камеру редуктора (3) і гідростатичні камеру (12). Камера редуктора відокремлена від гідростатичної камери мембраною (4) - керуючим елементом мембранного регулятора. Регулювальна пружина мембрани (5) розташована в гідростатичної камері і кріпиться гайкою (11), яка регулює ступінь стиснення пружини (5) і, отже, тиск пружини (5) на мембрану (4). Прогинаючись всередину камери редуктора (3), мембрана змінює тиск в цій камері. Так відбувається регулювання інсталяційного тиску. В камері високого тиску (2) розташований клапан (8), який підпирається пружиною (9). За допомогою штовхача (12) мембрана пов'язана з клапаном (8).
При навантаженому регуляторі, коли робиться вдих, повітря в камері редуктора (3) розряджається, унаслідок цього мембрана (4) прогинається всередину камери редуктора і через штовхач (10) відкриває клапан. У результаті повітря спрямовується на вихід на другу сходинку через порт середнього тиску (7). При припиненні вдиху камера редуктора заповнюється стисненим повітрям до інсталяційного тиску, мембрана (4) випрямляється у вихідне положення, і клапан закривається. У такій конструкції положення клапана залежить від положення мембрани, на яку тисне пружина (5) з одного боку і від ступеня стиснення пружини (9) і тиску стиснутого повітря, що надходить з балона, з іншого боку. Причому, чим більше тиск повітря в балоні, тим більше зусилля необхідно зробити, щоб відкрити клапан.
Щоб зменшити вплив тиску стиснутого повітря на роботу клапана, його отвір робилося як можна менше. Однак, це позначалося на продуктивності редуктора.
Гідростатична збалансованість регулятора
Гайка (11) має отвір, через яку вода проникає у гідростатичну камеру і передає тиск води на мембрану (4), яка, прогинаючись у камеру редуктора (3,) викликає відкриття клапана (8). Внаслідок цього тиск в камері редуктора зростає на величину тиску водяного стовпа, мембрана (4) прогинається назад і клапан закривається. Це забезпечує гідростатичну збалансованість редуктора.
4. Мембранний збалансований
Мембранні збалансовані регулятори, наявні в сучасній лінійці Aqua Lung - це TITAN і COUSTEAU. По суті TITAN є компактною версією COUSTEAU. Розглянемо пристрій і роботу регулятора TITAN (рис.4).
Малюнок 4. Схема мембранного збалансованого регулятора TITAN. 1 - мембрана; 2 - штовхач; 3 - клапан; 4 - сідло клапана; 5 - пружина; 6 - фільтр; 7 - камера високого тиску; 8 - камера редуктора; 9 - пружина; 10 - пружина; 11 - балансувальна камера; 12 - направляюча клапана; 13 - регулювальна гайка; 14 - гідростатична камера; 15 - силіконова мембрана; 16 - штовхач; 17 - канал Air Turbo; 18 - ущільнювальні кільця (O-ring).
Керуючим елементом мембранного збалансованого регулятора є мембрана (1). Через штовхач (2) вона пов'язана з клапаном (3), який притискається до сідла клапана (4) зусиллям двох пружин (9) і (10). Сідло клапана (4) жорстко закріплене в корпусі. Якщо регулятор не навантажений, то клапан під дією пружини (5) відкритий. При відкритті вентиля балона стиснене повітря спрямовується через фільтр (6) в камеру високого тиску (7). Потім через відкритий клапан у камеру редуктора середнього тиску (8). На поверхні при досягненні в камері редуктора (8) тиску 9.2 бар, зусилля від тиску повітря на мембрану (1) долає зусилля пружини (5), мембрана (1) вирівнюється, і під дією пружини (9) та пружини (10) клапан закривається. У момент вдиху в камері редуктора (8) створюється розрядження повітря, тиск знижується і мембрана (1) під дією зусилля пружини (5) прогинається у бік камери редуктора (8) і через штовхач (2), долаючи зусилля пружин (9) і (10), відкриває клапан і пропускає повітря на вдих. При припиненні вдиху камера редуктора (8) наповнюється повітрям до інсталяційного тиску і клапан закривається. Одним з головних елементів збалансованого мембранного регулятора є балансувальна камера (11), всередині якої повітря знаходиться під тиском, рівним тиску в камері редуктора (8). В результаті робота клапана не залежить від тиску стисненого повітря, що надходить з балона.
У механізмі клапана регулятора TITAN, на відміну від багатьох аналогічних конструкцій, напрямна клапана (12), розташована всередині балансування камери (11), підвішена між двома пружинами (9) і (10). При зменшенні тиску в балоні, пружина 2 виштовхує напрямну клапана вгору, стискаючи пружину 1. При цьому збільшується хід клапана і ефективний переріз клапана. Така конструкція забезпечує відмінність у дії механізму клапана при зміні тиску в балоні, стабілізуючи обсяг подаваного повітря. [*]
[*] Примітка: Докладний виклад з розрахунками читайте у статті А. Левандовського "Битва регуляторів-2. Секретна зброя".
Настановний тиск регулятора TITAN регулюється за допомогою гайки (13), яка регулює ступінь стиснення пружини (5) і, отже, тиск пружини (5) на мембрану (1). Прогинаючись всередину камери редуктора (8), мембрана змінює тиск в цій камері.
Важливою перевагою регулятора TITAN (також як і всіх інших мембранних регуляторів Aqua Lung) є наявність системи Air Turbo. Під мембраною в корпусі регулятора є додаткове отвір (17), провідне в камеру редуктора. При розрядці повітря в камері редуктора, що настає в результаті здійснення вдиху з другої частини, відбувається додаткове інжектування через канал системи Air Turbo. В результаті, мембрана швидше реагує на вдих, а також забезпечує більш стабільну подачу повітря на протягом всієї фази вдиху.
Гідростатична збалансованість регулятора TITAN
При зануренні вода проникає через отвір в регулювальної гайки (13) в гідростатичну камеру (14). Під дією тиску водяного стовпа мембрана прогинається у бік камери редуктора (8), відкриваючи клапан. Внаслідок цього тиск в камері редуктора збільшується на величину тиску водяного стовпа, і, таким чином, клапан закривається, компенсуючи надлишковий тиск води.
Гідростатична камера регулятора TITAN у версії SUPREME закрита мембраною, ізолюючи пружину (5) від зовнішнього середовища. Тиск водяного стовпа передається на основну мембрану (1) через силіконову мембрану (15) за допомогою штовхача (16). Це є так звана "суха камера" - винахід компанії Aqua Lung. Вона забезпечує стійкість регулятора до обмерзання і захищає гідростатичну камеру від забруднення.
Мембранні регулятори інших виробників для забезпечення стійкості регулятора до обмерзання, припускають заливку гідростатичної камери силіконовим маслом або іншим подібним речовиною. Поверх такої камери встановлюється ковпачок або додаткова мембрана. Через цю мембрану і силіконове масло тиск навколишнього середовища передається на основну мембрану.
Суха камера вигідно відрізняється від силіконової простотою і надійністю конструкції, а також не потребує додаткових витрат при періодичному технічному обслуговуванні регулятора.
При технічному обслуговуванні мембранних регуляторів необхідно міняти мембрану, подушку сідла клапана, всі ущільнювальні кільця і фільтр.
5. Мембранний сверхсбалансированный
Чому ж все-таки на великих глибинах ми відчуваємо більше зусилля на вдих, навіть якщо регулятор збалансований гидростатически і має збалансований клапан редуктора, робота якого не залежить від величини тиску повітря в балоні?
Справа в тому, що на глибині в результаті зростання тиску навколишнього середовища, повітря має більшу щільність, а, отже, в'язкість. Сила тертя при проходженні повітрям каналів і перерізів збільшується, і, отже, в одиницю часу на вдих поступає менше повітря.
Щоб забезпечити не тільки стабільну збалансовану роботу механізмів регулятора незалежно від глибини і тиску стисненого повітря, але і забезпечити подачу повітря в однаковому обсязі в одиницю часу незалежно від глибини, був придуманий свехсбалансированный регулятор. Сверхсбалансированность означає, що настановний тиск регулятора зростає з глибиною. Зроблено це для того, щоб компенсувати зростаючу щільність, а, відповідно, і в'язкість повітря, на великих глибинах, щоб, у свою чергу, подавати повітря на вдих в однаковому обсязі в одиницю часу як на поверхні, так і на глибині. Мембранні сверхсбалансированные регулятори в даний час представлені тільки серією регуляторів Legend компанії Aqua Lung.
Таким чином, регулятор Legend максимально наближений до ідеального регулятору - мрії конструкторів і дайверів - в якому дихається однаково легко як на поверхні, так і на глибині. З точки зору збалансованості роботи клапана редуктора, регулятор Legend є збалансованим, як і інші мембранні регулятори Aqua Lung, тобто подача повітря на вдих не залежить від тиску повітря в балоні.
Розглянемо пристрій сверхсбалансированного мембранного регулятора Legend (рис.5).
Малюнок 5. Схема мембранного сверхсбалансированного регулятора Legend. 1 - гідростатична камера; 2 - силіконова мембрана; 3 - штовхач; 4 - основна мембрана; 5 - фільтр; 6 - камера високого тиску; 7 - клапан; 8 - балансувальна камера; 9 - сідло клапана; 10 - камера редуктора; 11 - канал Air Turbo; 12 - штовхач; 13 - пружина; 14 - пружина; 15 - регулювальна гайка.
Регулятор Legend має конструкцію дуже схожу з конструкцією збалансованих мембранних регуляторів TITAN і COUSTEAU. Головна відмінність - це пристрій гідростатичної камери (1). Обов'язковим елементом її є суха камера. Гідростатична камера закрита силіконової мембраною (2) і через штовхач (3) передає тиск навколишнього середовища на основну мембрану регулятора (4).
У регуляторі TITAN діаметр силіконової мембрани сухої камери розрахований так, щоб з кожним збільшенням тиску навколишнього середовища на 1 бар тиск в камері редуктора також збільшувалася на 1 бар. Таким чином, настановний тиск регулятора залишається постійним незалежно від глибини.
У регуляторі Legend діаметр силіконової мембрани сухої камери трохи більше, ніж у регулятора TITAN при однаковому діаметрі основної мембрани. Отже, при збільшенні зовнішнього тиску, в результаті різниці площ двох мембран, тиск в камері редуктора із збільшенням глибини зростає на більшу величину, тобто настановний тиск регулятора Legend збільшується з глибиною. В результаті збільшення інсталяційного тиску на глибині повітря швидше проходить по каналах, що компенсує виросла його щільність. Тому дайвер відчуває однаково легкий подих, як на поверхні, так і на глибині.
Таким чином, суха камера сверхсбалансированного регулятора Legend забезпечує не тільки захист першого ступеня регулятора від холодної води і забруднення, але і є головним механізмом, що забезпечує сверхсбалансированность.
Так як настановний тиск регулятора Legend зростає з глибиною, то звичайні (незбалансовані) другі ступені регуляторів до нього не підходять, оскільки будуть спрацьовувати на збільшення інсталяційного тиску як запобіжний клапан. Для роботи з сверхсбалансированными регуляторами призначені збалансовані другі ступені регуляторів.
Детальний опис типів і принципів роботи регуляторів Aqua Lung.
Друга щабель регулятора (у вітчизняній літературі – дихальний автомат) призначена для редукування тиску повітря, що виходить з першої сходинки регулятора (у вітчизняній літературі – редуктора), до тиску навколишнього середовища.
Дихальні автомати можна розділити на дві групи – з потоковим і протівоточним механізмом клапана.
Конструкція дихальних автоматів протиточного типу така, що клапан закривається потоком повітря, що йде з першої сходинки. Очевидні недоліки такої конструкції. У разі несправності першого ступеня і при наростанні проміжного тиску шланг може розірватися, чи повітря може увірватися на вдих під високим тиском. Щоб виключити подібні ситуації, у першу сходинку таких регуляторів вбудовували запобіжний клапан. Так влаштовані, наприклад, регулятори АВМ-1М, АВМ-5, а також регулятори Aqua Lung, що випускалися в 50-х – 60-х роках минулого століття.
Переважна більшість вироблюваних сьогодні дихальних автоматів мають механізм клапана потокового типу. Це означає, що клапан відкривається потоком повітря, що рухається з першої сходинки. Це дуже важлива властивість, так як тиск повітря, що входить у другу сходинку (установче), допомагає відкрити клапан. Крім того, у разі несправності першої ступені наростаюче проміжне тиск повітря не зашкодить шланг або другу сходинку. Замість цього наростаючий потік повітря відкриє клапан, і регулятор встане на вільну подачу, продовжуючи разом з тим забезпечувати подачу повітря дайверу.
Всі сучасні моделі регуляторів Aqua Lung оснащені дихальними автоматами потокового типу. Вони діляться на дві категорії – збалансовані і незбалансовані. Розглянемо докладніше пристрій і роботу дихальних автоматів Aqua Lung.
Ліричний відступ
Зверніть увагу, що в разі "травлення" дихального автомата удавана несправність другий щаблі насправді викликана несправністю першого ступеня. Часто власники регуляторів, у яких друга щабель встає на вільну подачу, не здогадуючись про справжні причини неправильної роботи другого ступеня, відкручують дихальний автомат, і приносять його в сервісний центр для усунення несправностей. Звичайно, буває і так, що причина вільної подачі криється в несправності самого дихального автомата. У будь-якому випадку, звертаючись в сервісний центр, несіть туди регулятор в зборі.
CALYPSO
За своїм принципом роботи всі дихальні автомати дуже схожі. Розглянемо пристрій і роботу дихальних автоматів на прикладі регулятора Aqua Lung CALYPSO (Рис.1). Це найпростіший незбалансований дихальний автомат в лінійці регуляторів Aqua Lung – базова конструкція, розглянувши яку, можна буде легше зрозуміти переваги більш просунутих моделей.
Малюнок 1. Схема дихального автомата CALYPSO. 1 – мембрана; 2 – важіль; 3 – пружина; 4 – шток клапана; 5 – подушка клапана; 6 – сідло клапана; 7 – О-ринг; 8 – теплообмінник; 9 – заслінка Вентурі; 10 – важіль регулювання Вентурі; 11 – повітряна камера; 13 – водна камера; 14 – загубник; 15 – отвір на корпусі клапана.
Мембрана дихальних автоматів
Керуючим елементом всіх відомих дихальних автоматів є мембрана (1). Вона розділяє корпус дихального автомата на дві камери – повітряну (11) і водну (13). У повітряній камері завжди підтримується тиск, що дорівнює тиску навколишнього середовища, тобто тиску у водній камері. Саме при такому тиску ми можемо зробити вдих. Вдих ми робимо з повітряної камери (11). У неї ж ми видихаємо. Тому при видиху виходить автоматичне вирівнювання тиску по обидві сторони мембрани – повітряна камера наповнюється видихуваним повітрям до тиску "за бортом", а надлишки повітря підбурює через односторонній пелюстковий клапан видиху.
Якщо ми уявімо собі гіпотетичну ситуацію, коли ми затримуємо дихання на поверхні і при цьому занурюємося, то з глибиною під тиском води мембрана прогинається вниз – в повітряну камеру, натискаючи на важіль (2). Важіль відкриває клапан, і повітря з першої сходинки під тиском надходить в повітряну камеру дихального автомата. Надходження повітря продовжується до тих пір, поки тиск в повітряній камері (11) не збільшиться і не стане рівним тиску води, тоді мембрана (1) повернеться у вихідне положення, клапан закриється. Таким чином, в повітряній камері дихального автомата все одно буде підтримуватися тиск, рівний тиску навколишнього середовища, і регулятор буде напоготові, щоб ми змогли зробити вдих.
При здійсненні вдиху в повітряній камері (11) дихального автомата CALYPSO відбувається розрідження, внаслідок чого мембрана (1) прогинається вниз і натискає на важіль (2). Важіль, з'єднаний зі штоком клапана (4), долаючи зусилля пружини (3), відводить клапан, на торці якого закріплена змінна подушка клапана (5), від сідла клапана (6). Через відкритий клапан і отвір (15) повітря спрямовується в повітряну камеру дихального автомата (11), і через неї – на вдих.
При припиненні вдиху і з початком видиху повітря заповнює камеру (11) до тиску навколишнього середовища, і мембрана (1) повертається у вихідне положення, а клапан під дією пружини (3) закривається. Надлишки видихуваного повітря виходять через односторонній пелюстковий клапан, розташований у нижній частині повітряної камери дихального автомата. Його прикриває дефлектор (рис.1а), який клапан захищає від зовнішнього впливу, а також відводить бульбашки повітря, що видихається. До речі, дефлектор у NEW CALYPSO – це теж новинка. Він має пористу структуру, в результаті чого видихуване повітря розсікається на дрібні бульбашки і не створює значного шуму. Ймовірно, такими дефлекторами незабаром будуть оснащені всі регулятори Aqua Lung.
Дихальний автомат регулятора CALYPSO оснащений системою регулювання Вентурі з дуже зручним перемикачем (10), розташованим збоку корпуса дихального автомата. Перемикання можна легко проводити навіть при надягнутих товстих рукавичках.
Малюнок 1а. Дефлектор дихального автомата CALYPSO.
Ефект Вентурі
Окремого розгляду вимагає ефект інжекції потоку (ефект Вентурі). Ефект Вентурі є наслідком закону Бернуллі, згідно з яким тиск газу або рідини обернено пропорційно швидкості їх руху. На уроках фізики багатьом з нас демонстрували дію цього закону. Візьміть аркуш паперу формату А4, зігніть і розірвіть його вздовж навпіл. Потім, утримуючи паралельно дві утворилися смужки паперу на відстані 5-10 см один від одного, подуйте крізь канал, що утворився. Замість очікуваного розбіжності, смужки зімкнуться. Відбувається це із-за того, що тиск повітря, що рухається між смужками, знижується порівняно з тиском повітря з зовнішнього боку смужок.
Точно також веде себе мембрана дихального автомата у фазі вдиху, тобто коли клапан другої ступіні вже відкритий. Потік повітря, що рухається в повітряній камері дихального автомата, має менший тиск в порівнянні з тиском з зовнішнього боку мембрани, в результаті чого мембрана ще більше прогинається всередину повітряної камери – відбувається мимовільна інжекція повітря. Це продовжується до тих пір, поки потік повітря не припиняється, і ми починаємо робити видих. Тобто, по суті, цей ефект допомагає нам на фазі вдиху.
Всі дихальні автомати Aqua Lung оснащені системою регулювання інжекції (Вентурі). Ця система являє собою заслінку (9 на рис.1 і рис.3), яка перенаправляє потік повітря всередині повітряної камери дихального автомата. Іноді перемикач Вентурі називають Dive/Pre-Dive Switch, тобто перемикач режимів "до занурення"/"занурення". У положенні "максимум" (рис.3) канал повністю відкритий для потоку повітря, тобто інжекція задіяна по максимуму. Якщо, наприклад, при відкритому вентилі балона натиснути на кнопку примусової подачі повітря, то дихальний автомат дуже шумно встане на постійну подачу, навіть якщо Ви перестанете натискати на кнопку. Зупинити вільну подачу Ви зможете, або прикривши долонею загубник, або перевівши перемикач Вентурі в положення "мінімум" (рис.3а). Тому, щоб уникнути можливої вільної подачі повітря регулятором при стрибках у воду, коли існує ймовірність випадкового натискання кнопки примусової подачі в результаті удару об воду, перемикач Вентурі перед початком занурення переводять у положення "мінімум" ("Pre-Dive"). Опинившись під водою, перемикач можна перевести в положення "максимум" ("Dive"), щоб дихалося легше.
Адиабатическое розширення газу
Як відомо, згідно із законом Гей-Люссака, в точці адіабатичного розширення газу (розширення газу в результаті перепаду з більшого тиску на меншу) відбувається різке падіння температури газу. До речі, Ви можете спостерігати це явище, відкривши вентиль балона без приєднаного до нього регулятора – дуже швидко верхня частина балона покриється інеєм. Вірно і зворотне – при адіабатичному стисненні газу, відбувається підвищення його температури. Тому при забиванні балона повітрям з компресора балон нагрівається.
В дихальному автоматі в точці виходу повітря з клапана (назвемо її "крапкою холоду") температура повітря знижується приблизно до -30°С. Т. до. ми видихаємо вологе повітря, то в точці кріплення важеля до штоку клапана, де температура низька, конденсується волога, яка може перетворитися у лід і викликати заклинювання важеля, що, в свою чергу, може порушити роботу дихального автомата – він може стати на вільну подачу. Тому конструкторам регуляторів доводиться так чи інакше вирішувати проблему обмерзання дихальних автоматів. Найбільш просунутим в цьому плані є дихальний автомат Aqua Lung GLACIA (див. нижче), призначений для екстремально холодних занурень.
Для забезпечення стійкості до обмерзання, дихальний автомат CALYPSO оснащений теплообмінником (8), який передає тепло води в "точку холоду" і на металеві деталі механізму клапана, запобігаючи утворенню кристалів льоду на металевих поверхнях. У той же час важіль (2) має тефлонове покриття, також перешкоджаючи утворенню кристалів льоду на ньому. Необхідно відзначити, що теплообмінники дихальних автоматів є винаходом компанії Aqua Lung і запатентовані нею.
Крім регулятора CALYPSO такий же дихальний автомат стоїть на регуляторі TITAN. Октопус CALYPSO/TITAN має ідентичну конструкцію. Всі ці дихальні автомати відрізняються тільки дизайном кришки.
ABS
На базі дихального автомата регулятора CALYPSO був створений октопус ABS (Рис.2). Механізм клапана в ньому абсолютно ідентичний CALYPSO, але октопус має ряд конструктивних переваг саме з точки зору його використання в якості запасного дихального автомата. Це компактний низькопрофільний дихальний автомат. Кут між віссю загубника і віссю шланга складає 120°, а здвоєний клапан видиху має бічне розташування. У разі необхідності октопус ABS зручно передавати напарнику праворуч і ліворуч – кут 120° для цього ідеальний, а також перевертати його вгору-вниз – бічне розташування клапана видиху забезпечує вільне дихання при будь-якому положенні октопус.
Малюнок 2. Октопус ABS.
GLACIA
Дихальний автомат GLACIA (рис.3) відноситься до незбалансованого типом дихальних автоматів. На сьогоднішній день це найбільш стійкий до обмерзання дихальний автомат. Його встановлюють на редуктори TITAN і COUSTEAU. Також цей дихальний автомат представлений окремо у вигляді октопус GLACIA. Що ж забезпечує високу стійкість GLACIA до обмерзання?
На малюнку 3 видно, що точка кріплення важеля перенесена в бік, протилежний "точці холоду", тобто виходу повітря з клапана. Більш того, шток клапана складається з трьох частин (8, 12, 13). Середня частина являє собою пластикову втулку (12), що виконує функцію термоізолятору. Таким чином, низька температура повітря з "точки холоду" не передається на важіль (2). Сам важіль має тефлонове покриття, яке перешкоджає утворенню кристалів льоду на важелі. Дихальний автомат GLACIA має потужні теплообмінники (3), які передають тепло води на металеві деталі механізму клапана, також запобігаючи утворенню кристалів льоду на металевих поверхнях. Все це разом забезпечує виняткову стійкість дихального автомата GLACIA до обмерзання.
Малюнок 3. Схема дихального автомата GLACIA. 1 – мембрана; 2 – важіль; 3 – теплообмінник; 4 – сідло клапана; 5 – Про-ринг; 6 – подушка клапана; 7 – пружина; 8 – шток клапана; 9 – заслінка Вентурі; 10 – загубник; 11 – дефлектор; 12 – термоізолятор; 13 – шток; 14 – клапан видиху; 15 – повітряна камера.
Рисунок 3а. Схема дихального автомата GLACIA.
Ліричний відступ – 2
Необмерзающих регуляторів не буває! Будь регулятор може замерзнути при наявності в ньому вологи. Можна говорити тільки про стійкості регулятора до обмерзання. Всі розмови, типу "А ось мій регулятор (проставте назву Вашої моделі регулятора) ва-а-ще ніде і ні за яких обставин не мерзне, а у мого сусіда регулятор (проставте назва моделі регулятора Вашого сусіда) мерзне завжди навіть в басейні з температурою води 30°, - ці розмови неспроможні. Вони означають тільки одне – Ви добре стежте за станом свого регулятора, а Ваш сусід – ні. У переважній більшості випадків обмерзання регулятора викликано наявністю вологи всередині регулятора, що, в свою чергу, викликано неправильною його експлуатацією, зберіганням або доглядом за ним.
Продування регулятора стисненим повітрям одразу після занурення, промивання і навіть зберігання регулятора при нещільно прикрученою заглушці YOKE або DIN-приєднання, натискання кнопки примусової подачі повітря при промиванні регулятора – ось типові помилки, які призводять до потрапляння вологи всередину регулятора. Також волога може проникнути регулятор з балона, де стиснене повітря не осушений. Але це вже не Ваша вина, а скоріше Ваша біда, оскільки про стан балонів і компресора повинен піклуватися дайв-центр. А за великим рахунком, навіть старий добрий Каліпсо, якщо він сухий, може без проблем працювати під льодом!
Працює дихальний автомат GLACIA наступним чином. При здійсненні вдиху в повітряній камері (15) відбувається розрідження, внаслідок чого мембрана (1) прогинається вниз і натискає на важіль (2). Важіль, з'єднаний зі штоком клапана (8) через шток (13) і термоізолятор (12), долаючи зусилля пружини (7), відводить клапан, на торці якого закріплена змінна подушка клапана (6), від сідла клапана (4). Через відкритий клапан повітря спрямовується в повітряну камеру дихального автомата (15) і через неї – на вдих. При припиненні вдиху і з початком видиху повітря заповнює камеру (15) до тиску навколишнього середовища, і мембрана (1) повертається у вихідне положення, а клапан під дією пружини (7) закривається. Надлишки видихуваного повітря виходять через односторонній пелюстковий клапан (14), розташований в нижній частині повітряної камери дихального автомата. Його прикриває дефлектор (11), який клапан захищає від зовнішнього впливу, а також відводить бульбашки повітря, що видихається.
Дихальний автомат GLACIA оснащений регулюванням Вентурі, представляє собою заслінку (9), перенаправляющую потік повітря в повітряній камері (15). См. також рис.3а.
LX
Дихальний автомат LX (рис.4) є збалансованим. Яка принципова конструктивна відмінність збалансованого та незбалансованого дихальних автоматів?
Принципова схема його пристрою (рис.4) схожа на пристрій мембранної збалансованої першого ступеня регулятора. Шток (1) клапана має наскрізний отвір, через яке повітря з першої сходинки при середньому тиску надходить в балансуючу камеру (2). Про-ринг (3) запобігає потраплянню повітря з балансування камери (2) в повітряну камеру (4). Таким чином, крім зусилля пружини (5), клапан підпирається зсередини, в балансувальної камері, тиском повітря, що дорівнює проміжного тиску. Іншими словами, на відміну від незбалансованого дихального автомата, де пружині доводиться долати тиск стисненого повітря, що поступає з першого ступеня, в збалансованому дихальному автоматі сам стиснене повітря проміжного тиску частково компенсує зусилля пружини для закриття клапана. Тому така конструкція дозволяє значно зменшити силу пружності пружини (5), а, отже, знизити зусилля на підрив клапана. Саме тому дихання з другої сходинки LX виключно легке, і воно практично не залежить від величини проміжного (установчого) тиску.
Ця обставина дозволяє встановити збалансований дихальний автомат LX на сверхсбалансированный редуктор, яким є LEGEND, у якого з глибиною зростає настановний тиск (див. початок статті у попередньому номері журналу). Тим не менш, будучи дихальним автоматом потокового типу, LX може встати на вільну подачу в результаті наростання тиску між першою і другою сходинкою. Однак критична величина інсталяційного тиску, при якому дихальний автомат LX спрацьовує, як запобіжний клапан, значно вище, ніж у незбалансованих дихальних автоматів і дорівнює близько 18-20 атм.
Розглянемо роботу дихального автомата LX на фазі вдиху і видиху (рис.5). При здійсненні вдиху в повітряній камері (10) дихального автомата LX відбувається розрідження, внаслідок чого мембрана (1) прогинається вниз і натискає на важіль (2). Важіль, з'єднаний зі штоком клапана (6), долаючи зусилля пружини (13), відводить клапан, на торці якого закріплена змінна подушка клапана (5), від сідла клапана (4). Через відкритий клапан і, потім, через отвір (15) у циліндрі механізму клапана, повітря спрямовується в повітряну камеру дихального автомата (10), і через неї – на вдих. При припиненні вдиху і початку видиху повітря заповнює камеру (10) до тиску навколишнього середовища, і мембрана (1) повертається у вихідне положення, а клапан під дією пружини (13) закривається. Надлишки видихуваного повітря виходять через односторонній пелюстковий клапан (4, рис.6), розташований в нижній частині повітряної камери дихального автомата. Його прикриває дефлектор (5, рис.6), який клапан захищає від зовнішнього впливу, а також відводить бульбашки повітря, що видихається.
Дихальний автомат регулятора LX оснащений системою регулювання Вентурі зі зручним перемикачем (11). Ця система являє собою заслінку (12), яка перекриває і перенаправляє потік повітря, що виходить в повітряну камеру з отвору (15).
Для забезпечення стійкості до обмерзання, дихальний автомат LX оснащений досить потужним теплообмінником (3).
Малюнок 4. Схема дихального автомата LX, фаза вдиху. 1 – шток клапана, 2 – балансувальна камера; 3 – О-ринг; 4 – повітряна камера; 5 – пружина.
Малюнок 5. Схема дихального автомата LX, фаза видиху. 1 – мембрана; 2 – важіль; 3 – теплообмінник; 4 – сідло клапана; 5 – подушка клапана; 6 – шток клапана; 7 – балансувальна камера; 8 – установочний гвинт пружини; 9 –водна камера; 10 – повітряна камера; 11 – важіль регулювання Вентурі; 12 – заслінка Вентурі; 13 – пружина; 14 – О-ринг; 15 – отвір у корпусі клапанного механізму.
Дихальний автомат LX встановлюється на регулятори Titan LX, Titan LX Supreme, Legend, Legend Supreme, Legend LX, Legend LX Supreme, а також проводиться окремо у вигляді октопусов LX і LEGEND. У версіях регуляторів Legend LX і Legend LX Supreme дихальний автомат крім регулювання Вентурі, має ще і регулювання опору диханню (рис.6). Це гвинт (1), який через штовхач (2) змінює ступінь стиснення пружини (3), а, отже, впливає на зусилля відкриття клапана другої ступіні. Це дуже корисна регулювання, яка, по суті, дозволяє регулювати витрату повітря. При повністю закрученому гвинті опір на вдих максимально, і цей режим дозволяє дуже економно витрачати повітря. При повністю викрученому гвинті опір на вдих практично відсутня, і дихальний автомат в дуже слабкому режимі, але, тим не менш, примусово подає повітря.
Малюнок 6. Схема дихального автомата регулятора Legend LX. 1 – Гвинт регулювання опору вдиху, 2 – штовхач; 3 – пружина; 4 – клапан видиху; 5 – дефлектор.
В довершення конструктивних особливостей дихальних автоматів Aqua Lung слід звернути увагу ще на одну деталь. Всі регулятори Aqua Lung оснащені запатентованим анатомічним загубником. Характерною особливістю анатомічної загубника Aqua Lung є піднебінна перемичка. Такий загубник немає необхідності стискати зубами, він і без того міцно сидить у роті, що фактично знімає навантаження на щелепні м'язи.
У висновку хотілося б нагадати, що цикл статей "Поговоримо про регулятори" триває, і тема статей у наступних випусках журналу DiveTek багато в чому залежить від надісланих вами питань. Свої питання та пропозиції ви можете надсилати в редакцію журналу DiveTek або у фірму ТЕТІС по e-mail: sport@tetis.ru
Докладний опис типів і принципів роботи регуляторів Aqua Lung.
У попередньому номері [2] журналу DIVETEK ми розповіли про етапи регуляторостроенія і про покоління регуляторів на прикладі регуляторів Aqua Lung - компанії, яка пройшла всі відомі етапи розробки і виробництва регуляторів. Основною темою даної статті стане обговорення конструктивних особливостей різних типів регуляторів першої та другої щаблів на прикладі регуляторів Aqua Lung.
Практично всі сучасні регулятори мають дві рознесені ступеня редукування тиску стисненого повітря. Перша ступінь (у вітчизняній термінології - редуктор) знижує тиск стисненого повітря, що знаходиться в балоні до проміжного тиску (його називають також середнім або низьким). Друга ступінь (у вітчизняній термінології - дихальний автомат) знижує тиск до тиску навколишнього середовища, при якому людина може зробити вдих. Різниця між проміжним тиском і тиском повітря, що виходить з другого ступеня регулятора (тиск навколишнього середовища) становить настановний тиск регулятора. На поверхні проміжне тиск дорівнює установчому.
По керуючому елементу редуктори поділяють на поршневі і мембранні. По відношенню до тиску навколишнього середовища мембранні регулятори можуть бути збалансованими або сверхсбалансированными. По відношенню до залежності роботи клапана редуктора від тиску повітря в балоні поршневі і мембранні регулятори поділяють на незбалансовані (прості) і збалансовані. Таким чином, існує два види збалансованості регулятора.
Гідростатична збалансованість
Практично всі регулятори збалансовані по відношенню до тиску водяного стовпа. Це так звана гідростатична збалансованість регулятора. Вона передбачає, що настановний тиск в камері редуктора не залежить від тиску водяного стовпа. Як відомо, кожні 10 м водяного стовпа додають до тиску навколишнього середовища 1 бар. Регулятори влаштовані так, що тиск в камері редуктора також збільшується на 1 бар через кожні 10 метрів товщі води. Таким чином, різниця між тиском в камері редуктора і тиском води постійна, що забезпечує однакове навантаження на другу сходинку регулятора на різних робочих глибинах.
Наприклад, на поверхні настановний тиск регулятора Titan, і воно ж - тиск в камері редуктора, одно 9.2 бар. На глибині 20 метрів, де надлишковий тиск водяного стовпа дорівнює 2 бар тиск в камері редуктора одно 11.2 бар. При цьому ми вважаємо, що настановний тиск, як і раніше, одно 9.2 бар (11.2 бар в камері редуктора мінус 2 бар водного стовпа одно 9.2 бар).
До недавнього часу всі регулятори були гидростатически збалансованими. Але з появою регулятора п'ятого покоління - регулятора Aqua Lung серії Legend - з'явилася ще одна категорія регуляторів. Це гидростатически сверхсбалансированные регулятори. У сверхсбалансированных регуляторів настановний тиск зростає з глибиною. На поверхні настановний тиск регулятора Legend одно 9.5 бар, а на глибині 20 метрів тиск в камері редуктора одно 12.3 бар. Таким чином, при надлишковому тиску водяного стовпа 2 бар настановний тиск регулятора Legend одно 10.3 бар (12.3 - 2 = 10.3 бар), а не 9.5 бар, як це можна було б очікувати у звичайного регулятора. Для чого це було зроблено, дивіться нижче.
Збалансованість клапана редуктора
Найчастіше, коли говорять про збалансованих або незбалансованих регуляторах, то мають на увазі збалансованість клапана редуктора по відношенню до тиску повітря в балоні, тобто мова йде про збалансованість клапана редуктора. Робота клапана збалансованих регуляторів першої ступені стабільна і не залежить від тиску повітря в балоні. Робота ж клапана незбалансованих регуляторів, навпаки, прямо залежить від тиску повітря в балоні. Розглянемо докладніше пристрій різних типів регуляторів.
1. Поршневий незбалансований
І так, поршневий незбалансований регулятор 1-го ступеня. В сучасній лінійці регуляторів Aqua Lung це NEW CALYPSO. Розглянемо пристрій і роботу регулятора NEW CALYPSO (рис.1).
Малюнок 1. Схема поршневого незбалансованого регулятора NEW CALYPSO. 1 - поршень; 2 - подушка клапана; 3 - сідло клапана; 4 - пружина; 5 - фільтр; 6 - камера високого тиску; 7 - камера редуктора; 8 - гідростатичний отвір; 9 - гідростатична камера; 10 - ущільнювальні кільця (O-ring); А - порожнина камери редуктора; В - наскрізний канал поршня; З - порожнина камери редуктора.
Керуючим елементом поршневого незбалансованого регулятора є поршень (1), нижня частина якого є клапаном. У торці поршня закріплена знімна подушка клапана (2). Сідло клапана (3) жорстко закріплене в корпусі. Якщо регулятор не навантажений, то клапан відкритий, т. к. поршень віджатий пружиною (4). При відкритті вентиля балона стиснене повітря спрямовується через фільтр (5) в камеру високого тиску (6). Далі через відкритий клапан у порожнину "А" камери редуктора (7). Потім по наскрізного каналу "У" у поршні (1) повітря проходить у порожнину "З" камери редуктора середнього тиску (7). На поверхні, при досягненні в камері редуктора (7) тиску 9.2 бар, зусилля від тиску повітря на верхню частину поршня долає зусилля пружини (4) і тиск на подушку клапана стисненого повітря, що виходить з балона, внаслідок чого клапан закривається. У момент вдиху в порожнині "А" камери редуктора створюється розрядження повітря, при цьому тиск в порожнині "З" відповідно знижується, і під дією пружини (4) поршень рухається вгору - клапан відкривається, пропускаючи повітря на вдих. При припиненні вдиху камера редуктора (7) наповнюється повітрям до інсталяційного тиску і клапан закривається.
При такому пристрої регулятора тиск стисненого повітря балона безпосередньо впливає на клапан. Стиснене повітря, що надходить з балона, як би допомагає пружині (4) відкрити клапан. Тому якщо в балоні тиск стисненого повітря низька, клапан відкривається повільніше, що призводить до повільного наповнення редуктора. В цьому проявляється незбалансованість простого поршневого регулятора.
Але, як відомо, в кожному недоліку є частина достоїнств. По-перше, відповідно до вимог систем навчання підводному плаванню, Ви повинні почати підйом на поверхню до того, як у Вас в балоні залишиться менше 50 бар. А при такій кількості повітря в балоні дихання ще цілком легке. По-друге, якщо Ви забули проконтролювати тиск повітря в балоні за допомогою манометра, то зменшення запасу повітря призведе до збільшення опору на вдиху. Це буде сигналом до початку спливання, а залишився повітря Вам вистачить "позаочі".
Гідростатична збалансованість регулятора NEW CALYPSO.
При зануренні вода проникає через отвори (8) в гідростатичну камеру (9). Під дією тиску водяного стовпа поршень (1) зміщується в бік порожнини "З" камери редуктора, відкриваючи клапан. Внаслідок цього в камеру редуктора надходить додаткова кількість повітря, щоб закрити клапан і компенсувати тиск води. Тобто тиск у камері редуктора збільшується на величину тиску водяного стовпа.
У деяких моделях поршневих незбалансованих регуляторів гідростатична камера може заливатися силіконовим маслом або іншим спеціальним складом, при цьому отвори закриваються спеціальною мембраною. У такій конструкції тиск навколишнього середовища на поршень передається через мембрану і силіконове масло. Це робиться для захисту редуктора від холодної води. Конструктори компанії Aqua Lung домоглися того, що регулятор NEW CALYPSO можна експлуатувати в холодній воді без додаткової установки силіконової камери.
Також необхідно відзначити, що інженери Aqua Lung добилися приголомшливих результатів робочих характеристик регулятора NEW CALYPSO. Його загальна робота зменшилася майже вдвічі порівняно зі своїм попередником і становить 0.92 Дж/л [*], що наближається до робочих характеристик кращих мембранних регуляторів.
[*] Примітка: Про величину загальної роботи регуляторів різних типів і діаграмах дихання читайте статтю А. Левандовського "Битва регуляторів".
Як і всі регулятори Aqua Lung, NEW CALYPSO має знімне сідло клапана (3), виготовлену з високоміцної нержавіючої сталі. Ймовірність пошкодження такого сідла вкрай невелика, але навіть якщо пошкоджено сідло, його буде легко замінити. Більшість регуляторів інших виробників мають сідло, яке є частиною латунного корпусу. Ймовірність пошкодження латунного сідла значно вище, до того ж у цьому випадку буде потрібно заміна корпусу цілком.
"Слабкою ланкою" простого поршневого регулятора першого ступеня є подушка сідла клапана, відчуває сильні навантаження. Продавлювання подушки, зрештою, викликає нездатність клапана утримувати настановний тиск, і регулятор починає "труїти". Подушка підлягає заміні при періодичному обслуговуванні регулятора, так само як і всі ущільнювальні кільця і фільтр.
Настановний тиск поршневих регуляторів багатьох виробників передбачає регулювання за допомогою встановлення шайб під пружину. Тому, щоб відрегулювати настановний тиск, потрібно всякий раз розбирати регулятор, щоб встановити шайбу. Настановний тиск NEW CALYPSO не регулюється, і його величина обумовлена конструкцією регулятора. Це досить зручно при обслуговуванні регулятора.
2. Поршневий збалансований
В сучасній лінійці регуляторів Aqua Lung немає поршневого збалансованого регулятора. Вони були зняті з виробництва в середині 90-х років минулого сторіччя. Компанія Aqua Lung вирішила більше не виробляти регулятори цього типу. Справа в тому, що їх конструкція набагато складніше простих поршневих, і, отже, вони значно дорожче у виробництві. Більше того, оскільки компанія Aqua Lung приділяє величезну увагу стійкості регуляторів до обмерзання, то собівартість виробництва поршневих збалансованих холодноводних регуляторів зростає ще більше. Фактично вони стають дорожчими мембранних регуляторів. І це було б виправдано, якби вони володіли кращими характеристиками в порівнянні з мембранними регуляторами, але справа йде зовсім навпаки.
У рекламних проспектах рідко наводяться технічні характеристики, потребують спеціального пояснення, тож мало хто знає, що одним із основних показників роботи регулятора першого ступеня є величина падіння тиску в камері редуктора при вдиху. Ця величина показує, на скільки повинна зменшитися тиск в камері редуктора, щоб відкрився клапан, і почалася подача повітря у другу сходинку. Чим менше величина падіння тиску, тим швидше регулятор реагує на потребу в подачі повітря в початковій фазі вдиху. Проконтролювати це можна, вкрутити в порт редуктора 3/8" контрольний манометр низького тиску. Так от, конструктивні особливості поршневих регуляторів принципово не дозволяють зробити цю величину менше 1 бар. У той час як самий звичайний мембранний регулятор має величину падіння тиску в камері редуктора 0.5 бар, т. е. мембранні регулятори як мінімум в 2 рази чутливіші поршневих. Тому компанія Aqua Lung вирішила, що якщо вже і робити поршневі регулятори, то тільки - прості (незбалансовані). Їх конструкція проста і надійна, вони коштують майже в два рази дешевше мембранних регуляторів. Саме їх невисока ціна є хорошим виправданням деяких компромісів в якості дихання.
Останній поршневий збалансований регулятор, що випускався компанією Aqua Lung і досі эксплуатирующийся багатьма дайверами, це PIONEER. Розглянемо його будову і роботу (рис 2).
Малюнок 2. Схема поршневого збалансованого регулятора Pioneer. 1 - поршень, 2 - подушка клапана; 3 - пружина; 4 - фільтр; 5 - камера високого тиску; 6 - наскрізний канал поршня; 7 - камера редуктора; 8 - фільтр; 9 - гідростатична камера; 10 - ущільнювальне кільце поршня (O-ring).
Керуючим елементом поршневого збалансованого регулятора є поршень (1). Подушка (2) клапана жорстко закріплена в корпусі регулятора. Торець поршня є сідлом клапана. Якщо регулятор не навантажений, то клапан відкритий, т. к. поршень віджатий пружиною (3). При відкритті вентиля балона стиснене повітря спрямовується через фільтр (4) в камеру високого тиску (5). Потім через відкритий клапан і наскрізний канал в поршні (6) повітря потрапляє в камеру редуктора (7). На поверхні при досягненні в камері редуктора (7) тиску 9.2 бар, зусилля від тиску повітря на верхню частину поршня долає зусилля пружини (3), і поршень закриває клапан. У момент вдиху в камері редуктора (7) створюється розрядження повітря, тиск знижується, і під дією зусилля пружини (3) поршень відкриває клапан і пропускає повітря на вдих. При припиненні вдиху камера редуктора (7) наповнюється повітрям до інсталяційного тиску і клапан закривається.
При такій конструкції тиск стисненого повітря в балоні не впливає на роботу клапана, тому зусилля на вдих не залежить від кількості повітря в балоні, тобто регулятор є збалансованим.
Гідростатична збалансованість регулятора Pioneer
При зануренні вода тисне на мембрану (8) гідростатичної камери (9), яка залита силіконовим маслом. Через мембрану (8) і силіконове масло тиск водяного стовпа передається на поршень (1), який зміщується в бік камери редуктора (7), відкриваючи клапан. Внаслідок цього в камеру редуктора надходить додаткова кількість повітря, щоб закрити клапан і компенсувати тиск води. Тобто тиск у камері редуктора збільшується на величину тиску водяного стовпа.
Силіконова камера забезпечує стійкість регулятора до обмерзання. Гідростатична камера багатьох поршневих збалансованих регуляторів інших виробників відкрита для доступу води. Замість мембрани (8) в таких регуляторів є отвори. У цьому випадку регулятор може експлуатуватися у воді не нижче 10°С згідно стандарту EN250.
Найбільш "слабкою ланкою" поршневого збалансованого редуктора є ущільнювальне кільце (10), що несе на собі максимальні навантаження, т. к. ізолює камеру високого тиску. Саме за його стирання найчастіше відбувається "травлення" повітря з першої сходинки регулятора під водою. Також подушка сідла клапана в результаті стирання з часом стає здатною утримувати настановний тиск, внаслідок чого відбувається постановка регулятора на вільну подачу повітря. Подушка сідла клапана, а також усі ущільнювальні кільця і фільтр підлягають обов'язковій заміні при періодичному технічному обслуговуванні регулятора. Настановний тиск регулятора PIONEER, також як і NEW CALYPSO, не регулюється, і його величина обумовлена конструкцією регулятора. Однак для регулювання багатьох поршневих збалансованих регуляторів інших виробників використовуються шайби - підкладки під пружину. У цьому випадку, щоб відрегулювати настановний тиск, потрібно всякий раз розбирати регулятор, щоб встановити шайбу.
3. Мембранний незбалансований
Мембранні незбалансовані регулятори також досить безглузді з економічної точки зору. Їх собівартість порівнянна зі збалансованими мембранними регуляторами, але їх робочі характеристики завідомо нижчою, так як їх робота залежить від тиску стисненого повітря в балоні. В даний час регулятори цього типу практично не виробляються ніякими компаніями. Тут ми наведемо лише принципову схему пристрою мембранного незбалансованого редуктора (рис.3).
Малюнок 3. Принципова схема мембранного збалансованого регулятора. 1 - стиснене повітря; 2 - камера високого тиску; 3 - камера редуктора; 4 - мембрана; 5 - пружина; 6 - тиск води; 7 - вихід на 2-й ступінь; 8 - клапан; 9 - пружина; 10 - штовхач; 11 - регулювальна гайка; 12 - гідростатична камера.
Регулятор має камеру високого тиску (2), камеру редуктора (3) і гідростатичні камеру (12). Камера редуктора відокремлена від гідростатичної камери мембраною (4) - керуючим елементом мембранного регулятора. Регулювальна пружина мембрани (5) розташована в гідростатичної камері і кріпиться гайкою (11), яка регулює ступінь стиснення пружини (5) і, отже, тиск пружини (5) на мембрану (4). Прогинаючись всередину камери редуктора (3), мембрана змінює тиск в цій камері. Так відбувається регулювання інсталяційного тиску. В камері високого тиску (2) розташований клапан (8), який підпирається пружиною (9). За допомогою штовхача (12) мембрана пов'язана з клапаном (8).
При навантаженому регуляторі, коли робиться вдих, повітря в камері редуктора (3) розряджається, унаслідок цього мембрана (4) прогинається всередину камери редуктора і через штовхач (10) відкриває клапан. У результаті повітря спрямовується на вихід на другу сходинку через порт середнього тиску (7). При припиненні вдиху камера редуктора заповнюється стисненим повітрям до інсталяційного тиску, мембрана (4) випрямляється у вихідне положення, і клапан закривається. У такій конструкції положення клапана залежить від положення мембрани, на яку тисне пружина (5) з одного боку і від ступеня стиснення пружини (9) і тиску стиснутого повітря, що надходить з балона, з іншого боку. Причому, чим більше тиск повітря в балоні, тим більше зусилля необхідно зробити, щоб відкрити клапан.
Щоб зменшити вплив тиску стиснутого повітря на роботу клапана, його отвір робилося як можна менше. Однак, це позначалося на продуктивності редуктора.
Гідростатична збалансованість регулятора
Гайка (11) має отвір, через яку вода проникає у гідростатичну камеру і передає тиск води на мембрану (4), яка, прогинаючись у камеру редуктора (3,) викликає відкриття клапана (8). Внаслідок цього тиск в камері редуктора зростає на величину тиску водяного стовпа, мембрана (4) прогинається назад і клапан закривається. Це забезпечує гідростатичну збалансованість редуктора.
4. Мембранний збалансований
Мембранні збалансовані регулятори, наявні в сучасній лінійці Aqua Lung - це TITAN і COUSTEAU. По суті TITAN є компактною версією COUSTEAU. Розглянемо пристрій і роботу регулятора TITAN (рис.4).
Малюнок 4. Схема мембранного збалансованого регулятора TITAN. 1 - мембрана; 2 - штовхач; 3 - клапан; 4 - сідло клапана; 5 - пружина; 6 - фільтр; 7 - камера високого тиску; 8 - камера редуктора; 9 - пружина; 10 - пружина; 11 - балансувальна камера; 12 - направляюча клапана; 13 - регулювальна гайка; 14 - гідростатична камера; 15 - силіконова мембрана; 16 - штовхач; 17 - канал Air Turbo; 18 - ущільнювальні кільця (O-ring).
Керуючим елементом мембранного збалансованого регулятора є мембрана (1). Через штовхач (2) вона пов'язана з клапаном (3), який притискається до сідла клапана (4) зусиллям двох пружин (9) і (10). Сідло клапана (4) жорстко закріплене в корпусі. Якщо регулятор не навантажений, то клапан під дією пружини (5) відкритий. При відкритті вентиля балона стиснене повітря спрямовується через фільтр (6) в камеру високого тиску (7). Потім через відкритий клапан у камеру редуктора середнього тиску (8). На поверхні при досягненні в камері редуктора (8) тиску 9.2 бар, зусилля від тиску повітря на мембрану (1) долає зусилля пружини (5), мембрана (1) вирівнюється, і під дією пружини (9) та пружини (10) клапан закривається. У момент вдиху в камері редуктора (8) створюється розрядження повітря, тиск знижується і мембрана (1) під дією зусилля пружини (5) прогинається у бік камери редуктора (8) і через штовхач (2), долаючи зусилля пружин (9) і (10), відкриває клапан і пропускає повітря на вдих. При припиненні вдиху камера редуктора (8) наповнюється повітрям до інсталяційного тиску і клапан закривається. Одним з головних елементів збалансованого мембранного регулятора є балансувальна камера (11), всередині якої повітря знаходиться під тиском, рівним тиску в камері редуктора (8). В результаті робота клапана не залежить від тиску стисненого повітря, що надходить з балона.
У механізмі клапана регулятора TITAN, на відміну від багатьох аналогічних конструкцій, напрямна клапана (12), розташована всередині балансування камери (11), підвішена між двома пружинами (9) і (10). При зменшенні тиску в балоні, пружина 2 виштовхує напрямну клапана вгору, стискаючи пружину 1. При цьому збільшується хід клапана і ефективний переріз клапана. Така конструкція забезпечує відмінність у дії механізму клапана при зміні тиску в балоні, стабілізуючи обсяг подаваного повітря. [*]
[*] Примітка: Докладний виклад з розрахунками читайте у статті А. Левандовського "Битва регуляторів-2. Секретна зброя".
Настановний тиск регулятора TITAN регулюється за допомогою гайки (13), яка регулює ступінь стиснення пружини (5) і, отже, тиск пружини (5) на мембрану (1). Прогинаючись всередину камери редуктора (8), мембрана змінює тиск в цій камері.
Важливою перевагою регулятора TITAN (також як і всіх інших мембранних регуляторів Aqua Lung) є наявність системи Air Turbo. Під мембраною в корпусі регулятора є додаткове отвір (17), провідне в камеру редуктора. При розрядці повітря в камері редуктора, що настає в результаті здійснення вдиху з другої частини, відбувається додаткове інжектування через канал системи Air Turbo. В результаті, мембрана швидше реагує на вдих, а також забезпечує більш стабільну подачу повітря на протягом всієї фази вдиху.
Гідростатична збалансованість регулятора TITAN
При зануренні вода проникає через отвір в регулювальної гайки (13) в гідростатичну камеру (14). Під дією тиску водяного стовпа мембрана прогинається у бік камери редуктора (8), відкриваючи клапан. Внаслідок цього тиск в камері редуктора збільшується на величину тиску водяного стовпа, і, таким чином, клапан закривається, компенсуючи надлишковий тиск води.
Гідростатична камера регулятора TITAN у версії SUPREME закрита мембраною, ізолюючи пружину (5) від зовнішнього середовища. Тиск водяного стовпа передається на основну мембрану (1) через силіконову мембрану (15) за допомогою штовхача (16). Це є так звана "суха камера" - винахід компанії Aqua Lung. Вона забезпечує стійкість регулятора до обмерзання і захищає гідростатичну камеру від забруднення.
Мембранні регулятори інших виробників для забезпечення стійкості регулятора до обмерзання, припускають заливку гідростатичної камери силіконовим маслом або іншим подібним речовиною. Поверх такої камери встановлюється ковпачок або додаткова мембрана. Через цю мембрану і силіконове масло тиск навколишнього середовища передається на основну мембрану.
Суха камера вигідно відрізняється від силіконової простотою і надійністю конструкції, а також не потребує додаткових витрат при періодичному технічному обслуговуванні регулятора.
При технічному обслуговуванні мембранних регуляторів необхідно міняти мембрану, подушку сідла клапана, всі ущільнювальні кільця і фільтр.
5. Мембранний сверхсбалансированный
Чому ж все-таки на великих глибинах ми відчуваємо більше зусилля на вдих, навіть якщо регулятор збалансований гидростатически і має збалансований клапан редуктора, робота якого не залежить від величини тиску повітря в балоні?
Справа в тому, що на глибині в результаті зростання тиску навколишнього середовища, повітря має більшу щільність, а, отже, в'язкість. Сила тертя при проходженні повітрям каналів і перерізів збільшується, і, отже, в одиницю часу на вдих поступає менше повітря.
Щоб забезпечити не тільки стабільну збалансовану роботу механізмів регулятора незалежно від глибини і тиску стисненого повітря, але і забезпечити подачу повітря в однаковому обсязі в одиницю часу незалежно від глибини, був придуманий свехсбалансированный регулятор. Сверхсбалансированность означає, що настановний тиск регулятора зростає з глибиною. Зроблено це для того, щоб компенсувати зростаючу щільність, а, відповідно, і в'язкість повітря, на великих глибинах, щоб, у свою чергу, подавати повітря на вдих в однаковому обсязі в одиницю часу як на поверхні, так і на глибині. Мембранні сверхсбалансированные регулятори в даний час представлені тільки серією регуляторів Legend компанії Aqua Lung.
Таким чином, регулятор Legend максимально наближений до ідеального регулятору - мрії конструкторів і дайверів - в якому дихається однаково легко як на поверхні, так і на глибині. З точки зору збалансованості роботи клапана редуктора, регулятор Legend є збалансованим, як і інші мембранні регулятори Aqua Lung, тобто подача повітря на вдих не залежить від тиску повітря в балоні.
Розглянемо пристрій сверхсбалансированного мембранного регулятора Legend (рис.5).
Малюнок 5. Схема мембранного сверхсбалансированного регулятора Legend. 1 - гідростатична камера; 2 - силіконова мембрана; 3 - штовхач; 4 - основна мембрана; 5 - фільтр; 6 - камера високого тиску; 7 - клапан; 8 - балансувальна камера; 9 - сідло клапана; 10 - камера редуктора; 11 - канал Air Turbo; 12 - штовхач; 13 - пружина; 14 - пружина; 15 - регулювальна гайка.
Регулятор Legend має конструкцію дуже схожу з конструкцією збалансованих мембранних регуляторів TITAN і COUSTEAU. Головна відмінність - це пристрій гідростатичної камери (1). Обов'язковим елементом її є суха камера. Гідростатична камера закрита силіконової мембраною (2) і через штовхач (3) передає тиск навколишнього середовища на основну мембрану регулятора (4).
У регуляторі TITAN діаметр силіконової мембрани сухої камери розрахований так, щоб з кожним збільшенням тиску навколишнього середовища на 1 бар тиск в камері редуктора також збільшувалася на 1 бар. Таким чином, настановний тиск регулятора залишається постійним незалежно від глибини.
У регуляторі Legend діаметр силіконової мембрани сухої камери трохи більше, ніж у регулятора TITAN при однаковому діаметрі основної мембрани. Отже, при збільшенні зовнішнього тиску, в результаті різниці площ двох мембран, тиск в камері редуктора із збільшенням глибини зростає на більшу величину, тобто настановний тиск регулятора Legend збільшується з глибиною. В результаті збільшення інсталяційного тиску на глибині повітря швидше проходить по каналах, що компенсує виросла його щільність. Тому дайвер відчуває однаково легкий подих, як на поверхні, так і на глибині.
Таким чином, суха камера сверхсбалансированного регулятора Legend забезпечує не тільки захист першого ступеня регулятора від холодної води і забруднення, але і є головним механізмом, що забезпечує сверхсбалансированность.
Так як настановний тиск регулятора Legend зростає з глибиною, то звичайні (незбалансовані) другі ступені регуляторів до нього не підходять, оскільки будуть спрацьовувати на збільшення інсталяційного тиску як запобіжний клапан. Для роботи з сверхсбалансированными регуляторами призначені збалансовані другі ступені регуляторів.
Детальний опис типів і принципів роботи регуляторів Aqua Lung.
Друга щабель регулятора (у вітчизняній літературі – дихальний автомат) призначена для редукування тиску повітря, що виходить з першої сходинки регулятора (у вітчизняній літературі – редуктора), до тиску навколишнього середовища.
Дихальні автомати можна розділити на дві групи – з потоковим і протівоточним механізмом клапана.
Конструкція дихальних автоматів протиточного типу така, що клапан закривається потоком повітря, що йде з першої сходинки. Очевидні недоліки такої конструкції. У разі несправності першого ступеня і при наростанні проміжного тиску шланг може розірватися, чи повітря може увірватися на вдих під високим тиском. Щоб виключити подібні ситуації, у першу сходинку таких регуляторів вбудовували запобіжний клапан. Так влаштовані, наприклад, регулятори АВМ-1М, АВМ-5, а також регулятори Aqua Lung, що випускалися в 50-х – 60-х роках минулого століття.
Переважна більшість вироблюваних сьогодні дихальних автоматів мають механізм клапана потокового типу. Це означає, що клапан відкривається потоком повітря, що рухається з першої сходинки. Це дуже важлива властивість, так як тиск повітря, що входить у другу сходинку (установче), допомагає відкрити клапан. Крім того, у разі несправності першої ступені наростаюче проміжне тиск повітря не зашкодить шланг або другу сходинку. Замість цього наростаючий потік повітря відкриє клапан, і регулятор встане на вільну подачу, продовжуючи разом з тим забезпечувати подачу повітря дайверу.
Всі сучасні моделі регуляторів Aqua Lung оснащені дихальними автоматами потокового типу. Вони діляться на дві категорії – збалансовані і незбалансовані. Розглянемо докладніше пристрій і роботу дихальних автоматів Aqua Lung.
Ліричний відступ
Зверніть увагу, що в разі "травлення" дихального автомата удавана несправність другий щаблі насправді викликана несправністю першого ступеня. Часто власники регуляторів, у яких друга щабель встає на вільну подачу, не здогадуючись про справжні причини неправильної роботи другого ступеня, відкручують дихальний автомат, і приносять його в сервісний центр для усунення несправностей. Звичайно, буває і так, що причина вільної подачі криється в несправності самого дихального автомата. У будь-якому випадку, звертаючись в сервісний центр, несіть туди регулятор в зборі.
CALYPSO
За своїм принципом роботи всі дихальні автомати дуже схожі. Розглянемо пристрій і роботу дихальних автоматів на прикладі регулятора Aqua Lung CALYPSO (Рис.1). Це найпростіший незбалансований дихальний автомат в лінійці регуляторів Aqua Lung – базова конструкція, розглянувши яку, можна буде легше зрозуміти переваги більш просунутих моделей.
Малюнок 1. Схема дихального автомата CALYPSO. 1 – мембрана; 2 – важіль; 3 – пружина; 4 – шток клапана; 5 – подушка клапана; 6 – сідло клапана; 7 – О-ринг; 8 – теплообмінник; 9 – заслінка Вентурі; 10 – важіль регулювання Вентурі; 11 – повітряна камера; 13 – водна камера; 14 – загубник; 15 – отвір на корпусі клапана.
Мембрана дихальних автоматів
Керуючим елементом всіх відомих дихальних автоматів є мембрана (1). Вона розділяє корпус дихального автомата на дві камери – повітряну (11) і водну (13). У повітряній камері завжди підтримується тиск, що дорівнює тиску навколишнього середовища, тобто тиску у водній камері. Саме при такому тиску ми можемо зробити вдих. Вдих ми робимо з повітряної камери (11). У неї ж ми видихаємо. Тому при видиху виходить автоматичне вирівнювання тиску по обидві сторони мембрани – повітряна камера наповнюється видихуваним повітрям до тиску "за бортом", а надлишки повітря підбурює через односторонній пелюстковий клапан видиху.
Якщо ми уявімо собі гіпотетичну ситуацію, коли ми затримуємо дихання на поверхні і при цьому занурюємося, то з глибиною під тиском води мембрана прогинається вниз – в повітряну камеру, натискаючи на важіль (2). Важіль відкриває клапан, і повітря з першої сходинки під тиском надходить в повітряну камеру дихального автомата. Надходження повітря продовжується до тих пір, поки тиск в повітряній камері (11) не збільшиться і не стане рівним тиску води, тоді мембрана (1) повернеться у вихідне положення, клапан закриється. Таким чином, в повітряній камері дихального автомата все одно буде підтримуватися тиск, рівний тиску навколишнього середовища, і регулятор буде напоготові, щоб ми змогли зробити вдих.
При здійсненні вдиху в повітряній камері (11) дихального автомата CALYPSO відбувається розрідження, внаслідок чого мембрана (1) прогинається вниз і натискає на важіль (2). Важіль, з'єднаний зі штоком клапана (4), долаючи зусилля пружини (3), відводить клапан, на торці якого закріплена змінна подушка клапана (5), від сідла клапана (6). Через відкритий клапан і отвір (15) повітря спрямовується в повітряну камеру дихального автомата (11), і через неї – на вдих.
При припиненні вдиху і з початком видиху повітря заповнює камеру (11) до тиску навколишнього середовища, і мембрана (1) повертається у вихідне положення, а клапан під дією пружини (3) закривається. Надлишки видихуваного повітря виходять через односторонній пелюстковий клапан, розташований у нижній частині повітряної камери дихального автомата. Його прикриває дефлектор (рис.1а), який клапан захищає від зовнішнього впливу, а також відводить бульбашки повітря, що видихається. До речі, дефлектор у NEW CALYPSO – це теж новинка. Він має пористу структуру, в результаті чого видихуване повітря розсікається на дрібні бульбашки і не створює значного шуму. Ймовірно, такими дефлекторами незабаром будуть оснащені всі регулятори Aqua Lung.
Дихальний автомат регулятора CALYPSO оснащений системою регулювання Вентурі з дуже зручним перемикачем (10), розташованим збоку корпуса дихального автомата. Перемикання можна легко проводити навіть при надягнутих товстих рукавичках.
Малюнок 1а. Дефлектор дихального автомата CALYPSO.
Ефект Вентурі
Окремого розгляду вимагає ефект інжекції потоку (ефект Вентурі). Ефект Вентурі є наслідком закону Бернуллі, згідно з яким тиск газу або рідини обернено пропорційно швидкості їх руху. На уроках фізики багатьом з нас демонстрували дію цього закону. Візьміть аркуш паперу формату А4, зігніть і розірвіть його вздовж навпіл. Потім, утримуючи паралельно дві утворилися смужки паперу на відстані 5-10 см один від одного, подуйте крізь канал, що утворився. Замість очікуваного розбіжності, смужки зімкнуться. Відбувається це із-за того, що тиск повітря, що рухається між смужками, знижується порівняно з тиском повітря з зовнішнього боку смужок.
Точно також веде себе мембрана дихального автомата у фазі вдиху, тобто коли клапан другої ступіні вже відкритий. Потік повітря, що рухається в повітряній камері дихального автомата, має менший тиск в порівнянні з тиском з зовнішнього боку мембрани, в результаті чого мембрана ще більше прогинається всередину повітряної камери – відбувається мимовільна інжекція повітря. Це продовжується до тих пір, поки потік повітря не припиняється, і ми починаємо робити видих. Тобто, по суті, цей ефект допомагає нам на фазі вдиху.
Всі дихальні автомати Aqua Lung оснащені системою регулювання інжекції (Вентурі). Ця система являє собою заслінку (9 на рис.1 і рис.3), яка перенаправляє потік повітря всередині повітряної камери дихального автомата. Іноді перемикач Вентурі називають Dive/Pre-Dive Switch, тобто перемикач режимів "до занурення"/"занурення". У положенні "максимум" (рис.3) канал повністю відкритий для потоку повітря, тобто інжекція задіяна по максимуму. Якщо, наприклад, при відкритому вентилі балона натиснути на кнопку примусової подачі повітря, то дихальний автомат дуже шумно встане на постійну подачу, навіть якщо Ви перестанете натискати на кнопку. Зупинити вільну подачу Ви зможете, або прикривши долонею загубник, або перевівши перемикач Вентурі в положення "мінімум" (рис.3а). Тому, щоб уникнути можливої вільної подачі повітря регулятором при стрибках у воду, коли існує ймовірність випадкового натискання кнопки примусової подачі в результаті удару об воду, перемикач Вентурі перед початком занурення переводять у положення "мінімум" ("Pre-Dive"). Опинившись під водою, перемикач можна перевести в положення "максимум" ("Dive"), щоб дихалося легше.
Адиабатическое розширення газу
Як відомо, згідно із законом Гей-Люссака, в точці адіабатичного розширення газу (розширення газу в результаті перепаду з більшого тиску на меншу) відбувається різке падіння температури газу. До речі, Ви можете спостерігати це явище, відкривши вентиль балона без приєднаного до нього регулятора – дуже швидко верхня частина балона покриється інеєм. Вірно і зворотне – при адіабатичному стисненні газу, відбувається підвищення його температури. Тому при забиванні балона повітрям з компресора балон нагрівається.
В дихальному автоматі в точці виходу повітря з клапана (назвемо її "крапкою холоду") температура повітря знижується приблизно до -30°С. Т. до. ми видихаємо вологе повітря, то в точці кріплення важеля до штоку клапана, де температура низька, конденсується волога, яка може перетворитися у лід і викликати заклинювання важеля, що, в свою чергу, може порушити роботу дихального автомата – він може стати на вільну подачу. Тому конструкторам регуляторів доводиться так чи інакше вирішувати проблему обмерзання дихальних автоматів. Найбільш просунутим в цьому плані є дихальний автомат Aqua Lung GLACIA (див. нижче), призначений для екстремально холодних занурень.
Для забезпечення стійкості до обмерзання, дихальний автомат CALYPSO оснащений теплообмінником (8), який передає тепло води в "точку холоду" і на металеві деталі механізму клапана, запобігаючи утворенню кристалів льоду на металевих поверхнях. У той же час важіль (2) має тефлонове покриття, також перешкоджаючи утворенню кристалів льоду на ньому. Необхідно відзначити, що теплообмінники дихальних автоматів є винаходом компанії Aqua Lung і запатентовані нею.
Крім регулятора CALYPSO такий же дихальний автомат стоїть на регуляторі TITAN. Октопус CALYPSO/TITAN має ідентичну конструкцію. Всі ці дихальні автомати відрізняються тільки дизайном кришки.
ABS
На базі дихального автомата регулятора CALYPSO був створений октопус ABS (Рис.2). Механізм клапана в ньому абсолютно ідентичний CALYPSO, але октопус має ряд конструктивних переваг саме з точки зору його використання в якості запасного дихального автомата. Це компактний низькопрофільний дихальний автомат. Кут між віссю загубника і віссю шланга складає 120°, а здвоєний клапан видиху має бічне розташування. У разі необхідності октопус ABS зручно передавати напарнику праворуч і ліворуч – кут 120° для цього ідеальний, а також перевертати його вгору-вниз – бічне розташування клапана видиху забезпечує вільне дихання при будь-якому положенні октопус.
Малюнок 2. Октопус ABS.
GLACIA
Дихальний автомат GLACIA (рис.3) відноситься до незбалансованого типом дихальних автоматів. На сьогоднішній день це найбільш стійкий до обмерзання дихальний автомат. Його встановлюють на редуктори TITAN і COUSTEAU. Також цей дихальний автомат представлений окремо у вигляді октопус GLACIA. Що ж забезпечує високу стійкість GLACIA до обмерзання?
На малюнку 3 видно, що точка кріплення важеля перенесена в бік, протилежний "точці холоду", тобто виходу повітря з клапана. Більш того, шток клапана складається з трьох частин (8, 12, 13). Середня частина являє собою пластикову втулку (12), що виконує функцію термоізолятору. Таким чином, низька температура повітря з "точки холоду" не передається на важіль (2). Сам важіль має тефлонове покриття, яке перешкоджає утворенню кристалів льоду на важелі. Дихальний автомат GLACIA має потужні теплообмінники (3), які передають тепло води на металеві деталі механізму клапана, також запобігаючи утворенню кристалів льоду на металевих поверхнях. Все це разом забезпечує виняткову стійкість дихального автомата GLACIA до обмерзання.
Малюнок 3. Схема дихального автомата GLACIA. 1 – мембрана; 2 – важіль; 3 – теплообмінник; 4 – сідло клапана; 5 – Про-ринг; 6 – подушка клапана; 7 – пружина; 8 – шток клапана; 9 – заслінка Вентурі; 10 – загубник; 11 – дефлектор; 12 – термоізолятор; 13 – шток; 14 – клапан видиху; 15 – повітряна камера.
Рисунок 3а. Схема дихального автомата GLACIA.
Ліричний відступ – 2
Необмерзающих регуляторів не буває! Будь регулятор може замерзнути при наявності в ньому вологи. Можна говорити тільки про стійкості регулятора до обмерзання. Всі розмови, типу "А ось мій регулятор (проставте назву Вашої моделі регулятора) ва-а-ще ніде і ні за яких обставин не мерзне, а у мого сусіда регулятор (проставте назва моделі регулятора Вашого сусіда) мерзне завжди навіть в басейні з температурою води 30°, - ці розмови неспроможні. Вони означають тільки одне – Ви добре стежте за станом свого регулятора, а Ваш сусід – ні. У переважній більшості випадків обмерзання регулятора викликано наявністю вологи всередині регулятора, що, в свою чергу, викликано неправильною його експлуатацією, зберіганням або доглядом за ним.
Продування регулятора стисненим повітрям одразу після занурення, промивання і навіть зберігання регулятора при нещільно прикрученою заглушці YOKE або DIN-приєднання, натискання кнопки примусової подачі повітря при промиванні регулятора – ось типові помилки, які призводять до потрапляння вологи всередину регулятора. Також волога може проникнути регулятор з балона, де стиснене повітря не осушений. Але це вже не Ваша вина, а скоріше Ваша біда, оскільки про стан балонів і компресора повинен піклуватися дайв-центр. А за великим рахунком, навіть старий добрий Каліпсо, якщо він сухий, може без проблем працювати під льодом!
Працює дихальний автомат GLACIA наступним чином. При здійсненні вдиху в повітряній камері (15) відбувається розрідження, внаслідок чого мембрана (1) прогинається вниз і натискає на важіль (2). Важіль, з'єднаний зі штоком клапана (8) через шток (13) і термоізолятор (12), долаючи зусилля пружини (7), відводить клапан, на торці якого закріплена змінна подушка клапана (6), від сідла клапана (4). Через відкритий клапан повітря спрямовується в повітряну камеру дихального автомата (15) і через неї – на вдих. При припиненні вдиху і з початком видиху повітря заповнює камеру (15) до тиску навколишнього середовища, і мембрана (1) повертається у вихідне положення, а клапан під дією пружини (7) закривається. Надлишки видихуваного повітря виходять через односторонній пелюстковий клапан (14), розташований в нижній частині повітряної камери дихального автомата. Його прикриває дефлектор (11), який клапан захищає від зовнішнього впливу, а також відводить бульбашки повітря, що видихається.
Дихальний автомат GLACIA оснащений регулюванням Вентурі, представляє собою заслінку (9), перенаправляющую потік повітря в повітряній камері (15). См. також рис.3а.
LX
Дихальний автомат LX (рис.4) є збалансованим. Яка принципова конструктивна відмінність збалансованого та незбалансованого дихальних автоматів?
Принципова схема його пристрою (рис.4) схожа на пристрій мембранної збалансованої першого ступеня регулятора. Шток (1) клапана має наскрізний отвір, через яке повітря з першої сходинки при середньому тиску надходить в балансуючу камеру (2). Про-ринг (3) запобігає потраплянню повітря з балансування камери (2) в повітряну камеру (4). Таким чином, крім зусилля пружини (5), клапан підпирається зсередини, в балансувальної камері, тиском повітря, що дорівнює проміжного тиску. Іншими словами, на відміну від незбалансованого дихального автомата, де пружині доводиться долати тиск стисненого повітря, що поступає з першого ступеня, в збалансованому дихальному автоматі сам стиснене повітря проміжного тиску частково компенсує зусилля пружини для закриття клапана. Тому така конструкція дозволяє значно зменшити силу пружності пружини (5), а, отже, знизити зусилля на підрив клапана. Саме тому дихання з другої сходинки LX виключно легке, і воно практично не залежить від величини проміжного (установчого) тиску.
Ця обставина дозволяє встановити збалансований дихальний автомат LX на сверхсбалансированный редуктор, яким є LEGEND, у якого з глибиною зростає настановний тиск (див. початок статті у попередньому номері журналу). Тим не менш, будучи дихальним автоматом потокового типу, LX може встати на вільну подачу в результаті наростання тиску між першою і другою сходинкою. Однак критична величина інсталяційного тиску, при якому дихальний автомат LX спрацьовує, як запобіжний клапан, значно вище, ніж у незбалансованих дихальних автоматів і дорівнює близько 18-20 атм.
Розглянемо роботу дихального автомата LX на фазі вдиху і видиху (рис.5). При здійсненні вдиху в повітряній камері (10) дихального автомата LX відбувається розрідження, внаслідок чого мембрана (1) прогинається вниз і натискає на важіль (2). Важіль, з'єднаний зі штоком клапана (6), долаючи зусилля пружини (13), відводить клапан, на торці якого закріплена змінна подушка клапана (5), від сідла клапана (4). Через відкритий клапан і, потім, через отвір (15) у циліндрі механізму клапана, повітря спрямовується в повітряну камеру дихального автомата (10), і через неї – на вдих. При припиненні вдиху і початку видиху повітря заповнює камеру (10) до тиску навколишнього середовища, і мембрана (1) повертається у вихідне положення, а клапан під дією пружини (13) закривається. Надлишки видихуваного повітря виходять через односторонній пелюстковий клапан (4, рис.6), розташований в нижній частині повітряної камери дихального автомата. Його прикриває дефлектор (5, рис.6), який клапан захищає від зовнішнього впливу, а також відводить бульбашки повітря, що видихається.
Дихальний автомат регулятора LX оснащений системою регулювання Вентурі зі зручним перемикачем (11). Ця система являє собою заслінку (12), яка перекриває і перенаправляє потік повітря, що виходить в повітряну камеру з отвору (15).
Для забезпечення стійкості до обмерзання, дихальний автомат LX оснащений досить потужним теплообмінником (3).
Малюнок 4. Схема дихального автомата LX, фаза вдиху. 1 – шток клапана, 2 – балансувальна камера; 3 – О-ринг; 4 – повітряна камера; 5 – пружина.
Малюнок 5. Схема дихального автомата LX, фаза видиху. 1 – мембрана; 2 – важіль; 3 – теплообмінник; 4 – сідло клапана; 5 – подушка клапана; 6 – шток клапана; 7 – балансувальна камера; 8 – установочний гвинт пружини; 9 –водна камера; 10 – повітряна камера; 11 – важіль регулювання Вентурі; 12 – заслінка Вентурі; 13 – пружина; 14 – О-ринг; 15 – отвір у корпусі клапанного механізму.
Дихальний автомат LX встановлюється на регулятори Titan LX, Titan LX Supreme, Legend, Legend Supreme, Legend LX, Legend LX Supreme, а також проводиться окремо у вигляді октопусов LX і LEGEND. У версіях регуляторів Legend LX і Legend LX Supreme дихальний автомат крім регулювання Вентурі, має ще і регулювання опору диханню (рис.6). Це гвинт (1), який через штовхач (2) змінює ступінь стиснення пружини (3), а, отже, впливає на зусилля відкриття клапана другої ступіні. Це дуже корисна регулювання, яка, по суті, дозволяє регулювати витрату повітря. При повністю закрученому гвинті опір на вдих максимально, і цей режим дозволяє дуже економно витрачати повітря. При повністю викрученому гвинті опір на вдих практично відсутня, і дихальний автомат в дуже слабкому режимі, але, тим не менш, примусово подає повітря.
Малюнок 6. Схема дихального автомата регулятора Legend LX. 1 – Гвинт регулювання опору вдиху, 2 – штовхач; 3 – пружина; 4 – клапан видиху; 5 – дефлектор.
В довершення конструктивних особливостей дихальних автоматів Aqua Lung слід звернути увагу ще на одну деталь. Всі регулятори Aqua Lung оснащені запатентованим анатомічним загубником. Характерною особливістю анатомічної загубника Aqua Lung є піднебінна перемичка. Такий загубник немає необхідності стискати зубами, він і без того міцно сидить у роті, що фактично знімає навантаження на щелепні м'язи.
У висновку хотілося б нагадати, що цикл статей "Поговоримо про регулятори" триває, і тема статей у наступних випусках журналу DiveTek багато в чому залежить від надісланих вами питань. Свої питання та пропозиції ви можете надсилати в редакцію журналу DiveTek або у фірму ТЕТІС по e-mail: sport@tetis.ru
Олександр Кашунин
Журнал DiveTek #4/2004
Інші статті
