Регуляторы Aqualung - как они устроены

Регуляторы Aqua Lung - как они устроены

В предыдущем номере журнала DIVETEK мы рассказали об этапах регуляторостроения и о поколениях регуляторов на примере регуляторов Aqua Lung - компании, которая прошла все известные этапы разработки и производства регуляторов. Основной темой данной статьи станет обсуждение конструктивных особенностей различных типов регуляторов первой и второй ступеней на примере регуляторов Aqua Lung.

Практически все современные регуляторы имеют две разнесенные ступени редуцирования давления сжатого воздуха. Первая ступень (в отечественной терминологии - редуктор) понижает давление сжатого воздуха, находящегося в баллоне до промежуточного давления (его также называют средним или низким). Вторая ступень (в отечественной терминологии - дыхательный автомат) понижает это давление до давления окружающей среды, при котором человек может сделать вдох. Разница между промежуточным давлением и давлением воздуха, выходящего из второй ступени регулятора (давление окружающей среды) составляет установочное давление регулятора. На поверхности промежуточное давление равно установочному.

По управляющему элементу редукторы подразделяют на поршневые и мембранные. По отношению к давлению окружающей среды мембранные регуляторы могут быть сбалансированными или сверхсбалансированными. По отношению к зависимости работы клапана редуктора от давления воздуха в баллоне поршневые и мембранные регуляторы подразделяют на несбалансированные (простые) и сбалансированные. Таким образом, существует два вида сбалансированности регулятора.

Гидростатическая сбалансированность

Практически все регуляторы сбалансированы по отношению к давлению водного столба. Это так называемая гидростатическая сбалансированность регулятора. Она подразумевает, что установочное давление в камере редуктора не зависит от давления водного столба. Как известно, каждые 10 метров водного столба добавляют к давлению окружающей среды 1 бар. Регуляторы устроены так, что давление в камере редуктора также увеличивается на 1 бар через каждые 10 метров толщи воды. Таким образом, разница между давлением в камере редуктора и давлением воды постоянна, что обеспечивает одинаковую нагрузку на вторую ступень регулятора на разных рабочих глубинах.

Например, на поверхности установочное давление регулятора Titan, и оно же - давление в камере редуктора, равно 9.2 бар. На глубине 20 метров, где избыточное давление водного столба равно 2 бар, давление в камере редуктора равно 11.2 бар. При этом мы считаем, что установочное давление, по-прежнему, равно 9.2 бар (11.2 бар в камере редуктора минус 2 бар водного столба равно 9.2 бар).

До недавнего времени все регуляторы были гидростатически сбалансированными. Но с появлением регулятора пятого поколения - регулятора Aqua Lung серии Legend - появилась еще одна категория регуляторов. Это гидростатически сверхсбалансированные регуляторы. У сверхсбалансированных регуляторов установочное давление растет с глубиной. На поверхности установочное давление регулятора Legend равно 9.5 бар, а на глубине 20 метров давление в камере редуктора равно 12.3 бар. Таким образом, при избыточном давлении водного столба 2 бар установочное давление регулятора Legend равно 10.3 бар (12.3 - 2 = 10.3 бар), а не 9.5 бар, как это можно было бы ожидать у обычного регулятора. Для чего это было сделано, смотрите ниже.

Сбалансированность клапана редуктора

Чаще всего, когда говорят о сбалансированных или несбалансированных регуляторах, то подразумевают сбалансированность клапана редуктора по отношению к давлению воздуха в баллоне, т.е. речь идет о сбалансированности клапана редуктора. Работа клапана сбалансированных регуляторов первой ступени стабильна и не зависит от давления воздуха в баллоне. Работа же клапана несбалансированных регуляторов, напротив, напрямую зависит от давления воздуха в баллоне. Рассмотрим подробнее устройство разных типов регуляторов.

1. Поршневой несбалансированный

И так, поршневой несбалансированный регулятор. Рассмотрим устройство и работу регулятора NEW CALYPSO (рис.1).



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.

Управляющим элементом поршневого несбалансированного регулятора является поршень (1), нижняя часть которого является клапаном. В торце поршня закреплена съемная подушка клапана (2). Седло клапана (3) жестко закреплено в корпусе. Если регулятор не нагружен, то клапан открыт, т.к. поршень отжат пружиной (4). При открытии вентиля баллона сжатый воздух устремляется через фильтр (5) в камеру высокого давления (6). Далее через открытый клапан в полость "А" камеры редуктора (7). Затем по сквозному каналу "В" в поршне (1) воздух проходит в полость "С" камеры редуктора среднего 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 давление 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 установочного давления и клапан закрывается.

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

Но, как известно, в каждом недостатке есть часть достоинств. 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 воздуха в баллоне при помощи манометра, то уменьшение запаса воздуха приведет к увеличению сопротивления на вдохе. Это 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 полости "С" камеры редуктора, открывая клапан. Вследствие этого в камеру редуктора поступает дополнительное количество воздуха, чтобы закрыть клапан и скомпенсировать давление воды. Т.е. давление в камере редуктора увеличивается на величину давления водного столба.

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

Также необходимо отметить, что инженеры Aqua Lung добились потрясающих результатов рабочих характеристик регулятора NEW CALYPSO. Его общая работа уменьшилась почти вдвое по сравнению со своим предшественником и составляет 0.92 Дж/л [*], что приближается к рабочим характеристикам лучших мембранных регуляторов.

[*] Примечание: О величине общей работы регуляторов различных типов и диаграммах дыхания читайте статью А.Левандовского "Битва регуляторов".

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

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

Установочное давление поршневых регуляторов многих производителей предполагает регулировку посредством установления шайб под пружину. Поэтому, чтобы отрегулировать установочное давление, нужно всякий раз разбирать регулятор, чтобы установить шайбу. Установочное давление NEW CALYPSO не регулируется, и его величина обусловлена конструкцией регулятора. Это довольно удобно при обслуживании регулятора.

2. Поршневой сбалансированный

В современной линейке регуляторов Aqua Lung нет поршневого сбалансированного регулятора. Они были сняты с производства в середине 90-х годов прошлого столетия. Компания Aqua Lung решила больше не производить регуляторы этого типа. Дело в том, что их конструкция гораздо сложнее простых поршневых, и, следовательно, они значительно дороже в производстве. Более того, поскольку компания Aqua Lung уделяет огромное внимание устойчивости регуляторов к обмерзанию, то себестоимость производства поршневых сбалансированных холодноводных регуляторов возрастает еще больше. Фактически они становятся дороже мембранных регуляторов. И это было бы оправдано, если бы они обладали лучшими характеристиками по сравнению с мембранными регуляторами, но дело обстоит совсем наоборот.

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

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


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).

Управляющим элементом поршневого сбалансированного регулятора является поршень (1). Подушка (2) клапана жестко закреплена в корпусе регулятора. Торец поршня является седлом клапана. Если регулятор не нагружен, то клапан открыт, т.к. 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 достижении в камере редуктора (7) давления 9.2 бар, усилие от давления воздуха на верхнюю часть поршня преодолевает усилие 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 установочного давления и клапан закрывается.

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

Гидростатическая сбалансированность регулятора Pioneer

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

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

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

3. Мембранный несбалансированный

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


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.

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

При нагруженном регуляторе, когда делается вдох, воздух в камере редуктора (3) разряжается, вследствие этого мембрана (4) прогибается внутрь камеры редуктора и через толкатель (10) открывает клапан. В результате воздух устремляется на выход на 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 давления сжатого воздуха, поступающего из баллона, с другой стороны. Причем, чем больше давление воздуха в баллоне, тем большее усилие необходимо сделать, чтобы открыть клапан.

Чтобы уменьшить влияние давления сжатого воздуха на работу клапана, его отверстие делалось как можно меньше. Однако, это сказывалось на производительности редуктора.

Гидростатическая сбалансированность регулятора

Гайка (11) имеет отверстие, через которую вода проникает в гидростатическую камеру и передает давление воды на мембрану (4), которая, прогибаясь в камеру редуктора (3,) вызывает открытие клапана (8). Вследствие этого давление в камере редуктора вырастает на величину давления водного столба, мембрана (4) прогибается обратно и клапан закрывается. Это обеспечивает гидростатическую сбалансированность редуктора.

4. Мембранный сбалансированный

Рассмотрим устройство и работу регулятора TITAN (рис.4).


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).

Управляющим элементом мембранного сбалансированного регулятора является мембрана (1). Через толкатель (2) она связана с клапаном (3), который прижимается к седлу клапана (4) усилием двух пружин (9) и (10). Седло клапана (4) жестко закреплено в корпусе. Если регулятор не нагружен, то клапан под действием пружины (5) открыт. При открытии вентиля баллона сжатый воздух 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 разряжение 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 воздухом до установочного давления и клапан закрывается. Одним из главных элементов сбалансированного мембранного регулятора является балансировочная камера (11), внутри которой воздух находится под давлением, равным давлению в камере редуктора (8). В результате работа клапана не зависит от давления сжатого воздуха, поступающего из баллона.

В механизме клапана регулятора TITAN, в отличие от многих аналогичных конструкций, направляющая клапана (12), расположенная внутри балансировочной камеры (11), подвешена между двумя пружинами (9) и (10). При уменьшении давления в баллоне, пружина 2 выталкивает направляющую клапана вверх, сжимая пружину 1. При этом увеличивается ход клапана и эффективное сечение клапана. Такая конструкция обеспечивает различие в действии механизма клапана при изменении давления в баллоне, стабилизируя объем подаваемого воздуха.

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

Важным преимуществом регулятора TITAN (также как и всех других мембранных регуляторов Aqua Lung) является наличие системы Air Turbo. Под мембраной в корпусе регулятора имеется дополнительное отверстие (17), ведущее в камеру редуктора. При разряжении воздуха в камере редуктора, наступающего в результате совершения вдоха из второй ступени, 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 в регулировочной гайке (13) в гидростатическую камеру (14). Под действием давления водного столба мембрана прогибается в сторону камеры редуктора (8), открывая клапан. Вследствие этого давление в камере редуктора увеличивается на величину давления водного столба, и, таким образом, клапан закрывается, компенсируя избыточное давление воды.

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

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

Сухая камера выгодно отличается от силиконовой простотой и надежностью конструкции, а также не требует дополнительных затрат при периодическом техническом обслуживании регулятора.
При техническом обслуживании мембранных регуляторов необходимо менять мембрану, подушку седла клапана, все уплотнительные кольца и фильтр.

5. Мембранный сверхсбалансированный

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


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

Чтобы обеспечить не только стабильную сбалансированную работу механизмов регулятора независимо от глубины и давления сжатого воздуха, но и обеспечить подачу воздуха в одинаковом объеме в единицу времени независимо от глубины, был придуман свехсбалансированный регулятор. Сверхсбалансированность означает, что установочное давление регулятора растет с глубиной. Сделано это для того, чтобы скомпенсировать возрастающую плотность, а, соответственно, и вязкость воздуха, на больших глубинах, чтобы, в свою очередь, подавать воздух на вдох в одинаковом объеме в единицу времени как на поверхности, так и на глубине. Мембранные сверхсбалансированные регуляторы в настоящее время представлены только серией регуляторов Legend компании Aqua Lung.

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

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



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.

Регулятор Legend имеет конструкцию очень схожую с конструкцией сбалансированных мембранных регуляторов TITAN и COUSTEAU. Главное отличие - это устройство гидростатической камеры (1). Обязательным элементом ее является сухая камера. Гидростатическая камера закрыта силиконовой мембраной (2) и через толкатель (3) передает давление окружающей среды на основную мембрану регулятора (4).

В регуляторе TITAN диаметр силиконовой мембраны сухой камеры рассчитан так, чтобы с каждым увеличением давления окружающей среды на 1 бар, давление в камере редуктора также увеличивалось на 1 бар. Таким образом, установочное давление регулятора остается постоянным независимо от глубины.

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

Таким образом, сухая камера сверхсбалансированного регулятора Legend обеспечивает не только защиту первой ступени регулятора от холодной воды и загрязнения, но и является главным механизмом, обеспечивающим сверхсбалансированность.

Так как установочное давление регулятора Legend растет с глубиной, то обычные (несбалансированные) вторые ступени регуляторов к нему не подходят, т.к. будут срабатывать на увеличение установочного давления как предохранительный клапан. Для работы со сверхсбалансированными регуляторами предназначены сбалансированные вторые ступени регуляторов.

Вторая ступень регулятора (в отечественной литературе – дыхательный автомат) предназначена для редуцирования давления воздуха, выходящего из первой ступени регулятора (в отечественной литературе – редуктора), до давления окружающей среды.

Дыхательные автоматы можно разделить на две группы – с поточным и противоточным механизмом клапана.
Конструкция дыхательных автоматов противоточного типа такова, что клапан закрывается потоком воздуха, идущего из первой ступени. Очевидны недостатки такой конструкции. В случае неисправности первой ступени и при нарастании промежуточного давления шланг может разорваться, или воздух может ворваться на вдох под высоким давлением. Чтобы исключить подобные ситуации, в первую ступень таких регуляторов встраивали предохранительный клапан. Так устроены, например, регуляторы АВМ-1М, АВМ-5, а также регуляторы Aqua Lung, выпускавшиеся в 50-х – 60-х годах прошлого столетия.

Подавляющее большинство производимых сегодня дыхательных автоматов имеют механизм клапана поточного типа. Это означает, что клапан открывается потоком воздуха, движущегося из первой ступени. Это очень важное свойство, так как давление воздуха, входящего во вторую ступень (установочное), помогает открыть клапан. Кроме того, в случае неисправности первой ступени нарастающее промежуточное давление воздуха не повредит шланг или вторую ступень. Вместо этого нарастающий поток воздуха откроет клапан, и регулятор встанет на свободную подачу, продолжая вместе с тем обеспечивать подачу воздуха дайверу.

Все современные модели регуляторов Aqua Lung оснащены дыхательными автоматами поточного типа. Они делятся на две категории – сбалансированные и несбалансированные. Рассмотрим подробнее устройство и работу дыхательных автоматов Aqua Lung.

Лирическое отступление

Обратите внимание, что в случае "травления" дыхательного автомата кажущаяся неисправность второй ступени на самом деле вызвана неисправностью первой ступени. Часто владельцы регуляторов, у которых вторая ступень встает на свободную подачу, не догадываясь об истинных причинах неправильной работы второй ступени, откручивают дыхательный автомат, и приносят его в сервисный центр для устранения неисправностей. Конечно, бывает и так, что причина свободной подачи кроется в неисправности самого дыхательного автомата. В любом случае, обращаясь в сервисный центр, несите туда регулятор в сборе.

CALYPSO

По своему принципу работы все дыхательные автоматы очень похожи. Рассмотрим устройство и работу дыхательных автоматов на примере регулятора Aqua Lung CALYPSO (Рис.1). Это простейший несбалансированный дыхательный автомат в линейке регуляторов Aqua Lung – базовая конструкция, рассмотрев которую, можно будет легче понять преимущества более продвинутых моделей.


Рисунок 1. Схема дыхательного автомата CALYPSO. 1 – мембрана; 2 – рычаг; 3 – пружина; 4 – шток клапана; 5 – подушка клапана; 6 – седло клапана; 7 – О-ринг; 8 – теплообменник; 9 – заслонка Вентури; 10 – рычаг регулировки Вентури; 11 – воздушная камера; 13 – водная камера; 14 – загубник; 15 – отверстие к корпусе клапана.

Мембрана дыхательных автоматов

Управляющим элементом всех известных дыхательных автоматов является мембрана (1). Она разделяет корпус дыхательного автомата на две камеры – воздушную (11) и водную (13). В воздушной камере всегда поддерживается давление, равное давлению окружающей среды, т.е. давлению в водной камере. Именно при таком давлении мы можем сделать вдох. Вдох мы делаем из воздушной камеры (11). В нее же мы и выдыхаем. Поэтому при выдохе получается автоматическое выравнивание давления по обе стороны мембраны – воздушная камера наполняется выдыхаемым воздухом до давления "за бортом", а излишки воздуха стравливаются через односторонний лепестковый клапан выдоха.

Если мы представим себе гипотетическую ситуацию, когда мы задерживаем дыхание на поверхности и при этом погружаемся, то с глубиной под давлением воды мембрана прогибается вниз – в воздушную камеру, надавливая на рычаг (2). Рычаг открывает клапан, и воздух из первой ступени под давлением поступает в воздушную камеру дыхательного автомата. Поступление воздуха продолжается до тех пор, пока давление в воздушной камере (11) не увеличится и не станет равным давлению воды, тогда мембрана (1) вернется в исходное положение, и клапан закроется. Таким образом, в воздушной камере дыхательного автомата все равно будет поддерживаться давление, равное давлению окружающей среды, и регулятор будет наготове, чтобы мы смогли сделать вдох.

При совершении вдоха в воздушной камере (11) дыхательного автомата CALYPSO происходит разрежение, в результате чего мембрана (1) прогибается вниз и надавливает на рычаг (2). Рычаг, соединенный со штоком клапана (4), преодолевая усилие пружины (3), отводит клапан, на торце которого закреплена сменная подушка клапана (5), от седла клапана (6). Через открытый клапан и отверстие (15) воздух устремляется в воздушную камеру дыхательного автомата (11), и через нее – на вдох.

При прекращении вдоха и с началом выдоха воздух заполняет камеру (11) до давления окружающей среды, и мембрана (1) возвращается в исходное положение, а клапан под воздействием пружины (3) закрывается. Излишки выдыхаемого воздуха выходят через односторонний лепестковый клапан, расположенный в нижней части воздушной камеры дыхательного автомата. Его прикрывает дефлектор (рис.1а), который защищает клапан от внешнего воздействия, а также отводит пузырьки выдыхаемого воздуха. Кстати, дефлектор у NEW CALYPSO – это тоже новинка. Он имеет ячеистую структуру, в результате чего выдыхаемый воздух рассекается на мелкие пузырьки и не создает значительного шума. Вероятно, такими дефлекторами в скором времени будут оснащены все регуляторы Aqua Lung.

Дыхательный автомат регулятора CALYPSO оснащен системой регулировки Вентури с очень удобным переключателем (10), расположенным сбоку корпуса дыхательного автомата. Переключение можно легко производить даже при надетых толстых перчатках.



Рисунок 1а. Дефлектор дыхательного автомата CALYPSO.

Эффект Вентури

Отдельного рассмотрения требует эффект инжекции потока (эффект Вентури). Эффект Вентури является следствием закона Бернулли, согласно которому давление газа или жидкости обратно пропорционально скорости их движения. На уроках физики многим из нас демонстрировали действие этого закона. Возьмите лист бумаги формата А4, согните и разорвите его вдоль пополам. Затем, удерживая параллельно две образовавшиеся полоски бумаги на расстоянии 5-10 см друг от друга, подуйте сквозь образовавшийся канал. Вместо ожидаемого расхождения, полоски сомкнутся. Происходит это из-за того, что давление воздуха, движущегося между полосками, понижается по сравнению с давлением воздуха с внешней стороны полосок.

Точно также ведет себя мембрана дыхательного автомата в фазе вдоха, т.е. когда клапан второй ступени уже открыт. Поток воздуха, движущийся в воздушной камере дыхательного автомата, имеет меньшее давление по сравнению с давлением с внешней стороны мембраны, в результате чего мембрана еще больше прогибается внутрь воздушной камеры – происходит самопроизвольная инжекция воздуха. Это продолжается до тех пор, пока поток воздуха не прекращается, и мы начинаем совершать выдох. Т.е. по сути, этот эффект помогает нам на фазе вдоха.

Все дыхательные автоматы Aqua Lung оснащены системой регулировки инжекции (Вентури). Эта система представляет собой заслонку (9 на рис.1 и рис.3), которая перенаправляет поток воздуха внутри воздушной камеры дыхательного автомата. Иногда переключатель Вентури называют Dive/Pre-Dive Switch, т.е. переключатель режимов "до погружения"/"погружение". В положении "максимум" (рис.3) канал полностью открыт для потока воздуха, т.е. инжекция задействована по максимуму. Если, например, при открытом вентиле баллона нажать на кнопку принудительной подачи воздуха, то дыхательный автомат весьма шумно встанет на постоянную подачу, даже если Вы перестанете нажимать на кнопку. Остановить свободную подачу Вы сможете, либо прикрыв ладонью загубник, либо переведя переключатель Вентури в положение "минимум" (рис.3а). Поэтому, чтобы избежать возможной свободной подачи воздуха регулятором при прыгании в воду, когда существует вероятность случайного нажатия кнопки принудительной подачи в результате удара о воду, переключатель Вентури перед началом погружения переводят в положение "минимум" ("Pre-Dive"). Оказавшись под водой, переключатель можно перевести в положение "максимум" ("Dive"), чтобы дышалось легче.

Адиабатическое расширение газа

Как известно, согласно закону Гей-Люссака, в точке адиабатического расширения газа (расширение газа в результате перепада с большего давления на меньшее) происходит резкое падение температуры газа. Кстати, Вы можете наблюдать это явление, открыв вентиль баллона без присоединенного к нему регулятора – очень быстро верхняя часть баллона покроется инеем. Верно и обратное – при адиабатическом сжатии газа, происходит повышение его температуры. Поэтому при забивании баллона воздухом из компрессора баллон нагревается.

В дыхательном автомате в точке выхода воздуха из клапана (назовем ее "точкой холода") температура воздуха понижается примерно до -30°С. Т.к. мы выдыхаем влажный воздух, то в точке крепления рычага к штоку клапана, где температура низкая, конденсируется влага, которая может превратиться в лед и вызвать заклинивание рычага, что, в свою очередь, может нарушить работу дыхательного автомата – он может встать на свободную подачу. Поэтому конструкторам регуляторов приходится так или иначе решать проблему обмерзания дыхательных автоматов. Наиболее продвинутым в этом плане является дыхательный автомат Aqua Lung GLACIA (см. ниже), предназначенный для экстремально холодных погружений.

Для обеспечения устойчивости к обмерзанию, дыхательный автомат CALYPSO оснащен теплообменником (8), который передает тепло воды в "точку холода" и на металлические детали механизма клапана, предотвращая образование кристаллов льда на металлических поверхностях. В то же время рычаг (2) имеет тефлоновое покрытие, также препятствуя образованию кристаллов льда на нем. Необходимо отметить, что теплообменники дыхательных автоматов являются изобретением компании Aqua Lung и запатентованы ею.
Помимо регулятора CALYPSO такой же дыхательный автомат стоит на регуляторе TITAN. Октопус CALYPSO/TITAN имеет идентичную конструкцию. Все эти дыхательные автоматы отличаются только дизайном крышки.

ABS

На базе дыхательного автомата регулятора CALYPSO был создан октопус ABS (Рис.2). Механизм клапана в нем абсолютно идентичен CALYPSO, но октопус имеет ряд конструктивных преимуществ именно с точки зрения его использования в качестве запасного дыхательного автомата. Это компактный низкопрофильный дыхательный автомат. Угол между осью загубника и осью шланга составляет 120°, а сдвоенный клапан выдоха имеет боковое расположение. В случае необходимости октопус ABS удобно передавать напарнику справа и слева – угол 120° для этого идеален, а также переворачивать его вверх-вниз – боковое расположение клапана выдоха обеспечивает свободное дыхание при любом положении октопуса.


Рисунок 2. Октопус ABS.
GLACIA
Дыхательный автомат GLACIA (рис.3) относится к несбалансированному типу дыхательных автоматов. На сегодняшний день это самый устойчивый к обмерзанию дыхательный автомат. Его устанавливают на редукторы TITAN и COUSTEAU. Также этот дыхательный автомат представлен отдельно в виде октопуса GLACIA. Что же обеспечивает высокую устойчивость GLACIA к обмерзанию?

На рисунке 3 видно, что точка крепления рычага перенесена в сторону, противоположную "точке холода", т.е. выходу воздуха из клапана. Более того, шток клапана состоит из трех частей (8, 12, 13). Средняя часть представляет собой пластиковую втулку (12), выполняющую функцию термоизолятора. Таким образом, низкая температура воздуха из "точки холода" не передается на рычаг (2). Сам рычаг имеет тефлоновое покрытие, которое также препятствует образованию кристаллов льда на рычаге. Дыхательный автомат GLACIA имеет мощные теплообменники (3), которые передают тепло воды на металлические детали механизма клапана, также предотвращая образование кристаллов льда на металлических поверхностях. Все это вместе обеспечивает исключительную устойчивость дыхательного автомата GLACIA к обмерзанию.


Рисунок 3. Схема дыхательного автомата GLACIA. 1 – мембрана; 2 – рычаг; 3 – теплообменники; 4 – седло клапана; 5 – О-ринг; 6 – подушка клапана; 7 – пружина; 8 – шток клапана; 9 – заслонка Вентури; 10 – загубник; 11 – дефлектор; 12 – термоизолятор; 13 – шток; 14 – клапан выдоха; 15 – воздушная камера.


Рисунок 3а. Схема дыхательного автомата GLACIA.

Лирическое отступление – 2

Необмерзающих регуляторов не бывает! Любой регулятор может замерзнуть при наличии в нем влаги. Можно говорить только об устойчивости регулятора к обмерзанию. Все разговоры, типа "А вот мой регулятор (проставьте название модели Вашего регулятора) ва-а-ще нигде и ни при каких обстоятельствах не мерзнет, а у моего соседа регулятор (проставьте название модели регулятора Вашего соседа) мерзнет всегда даже в бассейне с температурой воды 30°, - эти разговоры несостоятельны. Они означают только одно – Вы хорошо следите за состоянием своего регулятора, а Ваш сосед – нет. В подавляющем большинстве случаев обмерзание регулятора вызвано наличием влаги внутри регулятора, что, в свою очередь, вызвано неправильной его эксплуатацией, хранением или уходом за ним.

Продувка регулятора сжатым воздухом сразу после погружения, промывание и даже хранение регулятора при неплотно прикрученной заглушке YOKE или DIN-подсоединения, нажатие кнопки принудительной подачи воздуха при промывке регулятора – вот типичные ошибки, которые приводят к попаданию влаги внутрь регулятора. Также влага может проникнуть в регулятор из баллона, где сжатый воздух не осушен. Но это уже не Ваша вина, а скорее Ваша беда, т.к. о состоянии баллонов и компрессора должен заботиться дайв-центр. А по большому счету, даже старый добрый Калипсо, если он сух, может без проблем работать подо льдом!

Работает дыхательный автомат GLACIA следующим образом. При совершении вдоха в воздушной камере (15) происходит разрежение, в результате чего мембрана (1) прогибается вниз и надавливает на рычаг (2). Рычаг, соединенный со штоком клапана (8) через шток (13) и термоизолятор (12), преодолевая усилие пружины (7), отводит клапан, на торце которого закреплена сменная подушка клапана (6), от седла клапана (4). Через открытый клапан воздух устремляется в воздушную камеру дыхательного автомата (15) и через нее – на вдох. При прекращении вдоха и с началом выдоха воздух заполняет камеру (15) до давления окружающей среды, и мембрана (1) возвращается в исходное положение, а клапан под воздействием пружины (7) закрывается. Излишки выдыхаемого воздуха выходят через односторонний лепестковый клапан (14), расположенный в нижней части воздушной камеры дыхательного автомата. Его прикрывает дефлектор (11), который защищает клапан от внешнего воздействия, а также отводит пузырьки выдыхаемого воздуха.

Дыхательный автомат GLACIA оснащен регулировкой Вентури, представляющей собой заслонку (9), перенаправляющую поток воздуха в воздушной камере (15). См. также рис.3а.

LX

Дыхательный автомат LX (рис.4) является сбалансированным. Каково принципиальное конструктивное отличие сбалансированного и несбалансированного дыхательных автоматов?
Принципиальная схема его устройства (рис.4) похожа на устройство мембранной сбалансированной первой ступени регулятора. Шток (1) клапана имеет сквозное отверстие, через которое воздух из первой ступени при среднем давлении поступает в балансировочную камеру (2). О-ринг (3) предотвращает попадание воздуха из балансировочной камеры (2) в воздушную камеру (4). Таким образом, помимо усилия пружины (5), клапан подпирается изнутри, в балансировочной камере, давлением воздуха, равным промежуточному давлению. Иными словами, в отличие от несбалансированного дыхательного автомата, где пружине приходится преодолевать давление сжатого воздуха, поступающего из первой ступени, в сбалансированном дыхательном автомате сам сжатый воздух промежуточного давления частично компенсирует усилие пружины для закрытия клапана. Поэтому такая конструкция позволяет значительно уменьшить силу упругости пружины (5), а, следовательно, снизить усилие на подрыв клапана. Именно поэтому дыхание из второй ступени LX исключительно легкое, и оно практически не зависит от величины промежуточного (установочного) давления.

Это обстоятельство позволяет установить сбалансированный дыхательный автомат LX на сверхсбалансированный редуктор, каковым является LEGEND, у которого с глубиной растет установочное давление (см. начало статьи в предыдущем номере журнала). Тем не менее, являясь дыхательным автоматом поточного типа, LX может встать на свободную подачу в результате нарастания давления между первой и второй ступенью. Однако критическая величина установочного давления, при котором дыхательный автомат LX срабатывает, как предохранительный клапан, значительно выше, чем у несбалансированных дыхательных автоматов и равна около 18-20 атм.

Рассмотрим работу дыхательного автомата LX на фазе вдоха и выдоха (рис.5). При совершении вдоха в воздушной камере (10) дыхательного автомата LX происходит разрежение, в результате чего мембрана (1) прогибается вниз и надавливает на рычаг (2). Рычаг, соединенный со штоком клапана (6), преодолевая усилие пружины (13), отводит клапан, на торце которого закреплена сменная подушка клапана (5), от седла клапана (4). Через открытый клапан и, затем, через отверстие (15) в цилиндре механизма клапана, воздух устремляется в воздушную камеру дыхательного автомата (10), и через нее – на вдох. При прекращении вдоха и начале выдоха воздух заполняет камеру (10) до давления окружающей среды, и мембрана (1) возвращается в исходное положение, а клапан под воздействием пружины (13) закрывается. Излишки выдыхаемого воздуха выходят через односторонний лепестковый клапан (4, рис.6), расположенный в нижней части воздушной камеры дыхательного автомата. Его прикрывает дефлектор (5, рис.6), который защищает клапан от внешнего воздействия, а также отводит пузырьки выдыхаемого воздуха.

Дыхательный автомат регулятора LX оснащен системой регулировки Вентури с удобным переключателем (11). Эта система представляет собой заслонку (12), которая перекрывает и перенаправляет поток воздуха, выходящего в воздушную камеру из отверстия (15).
Для обеспечения устойчивости к обмерзанию, дыхательный автомат LX оснащен довольно мощным теплообменником (3).


Рисунок 4. Схема дыхательного автомата LX, фаза вдоха. 1 – шток клапана, 2 – балансировочная камера; 3 – О-ринг; 4 – воздушная камера; 5 – пружина.


Рисунок 5. Схема дыхательного автомата LX, фаза выдоха. 1 – мембрана; 2 – рычаг; 3 – теплообменник; 4 – седло клапана; 5 – подушка клапана; 6 – шток клапана; 7 – балансировочная камера; 8 – установочный винт пружины; 9 –водная камера; 10 – воздушная камера; 11 – рычаг регулировки Вентури; 12 – заслонка Вентури; 13 – пружина; 14 – О-ринг; 15 – отверстие в корпусе клапанного механизма.

Дыхательный автомат LX устанавливается на регуляторы Titan LX, Titan LX Supreme, Legend, Legend Supreme, Legend LX, Legend LX Supreme, а также производится отдельно в виде октопусов LX и LEGEND. В версиях регуляторов Legend LX и Legend LX Supreme дыхательный автомат помимо регулировки Вентури, имеет еще и регулировку сопротивления дыханию (рис.6). Это винт (1), который через толкатель (2) изменяет степень сжатия пружины (3), а, следовательно, влияет на усилие открытия клапана второй ступени. Это очень полезная регулировка, которая, по сути, позволяет регулировать расход воздуха. При полностью закрученном винте сопротивление на вдох максимально, и этот режим позволяет очень экономно расходовать воздух. При полностью выкрученном винте сопротивление на вдох практически отсутствует, и дыхательный автомат в очень слабом режиме, но, тем не менее, принудительно подает воздух.


Рисунок 6. Схема дыхательного автомата регулятора Legend LX. 1 – Винт регулировки сопротивления вдоху, 2 – толкатель; 3 – пружина; 4 – клапан выдоха; 5 – дефлектор.

В довершение конструктивных особенностей дыхательных автоматов Aqua Lung следует обратить внимание еще на одну деталь. Все регуляторы Aqua Lung оснащены запатентованным анатомическим загубником. Характерной особенностью анатомического загубника Aqua Lung является небная перемычка. Такой загубник нет необходимости сжимать зубами, он и без того прочно сидит во рту, что фактически снимает нагрузку на челюстные мышцы.


Современная линейка регуляторов Аквалунг