Битва регуляторов-2. Секретное оружие

08.08.04

Если вы читаете этот текст, это значит, что информация, изложенная в одноименной статье в 5-м номере журнала "Октопус", заинтересовала вас, и вы смогли дойти до конца текста, сквозь все термины, диаграммы и опечатки.

Напомню кратко выводы. Все продаваемые на нашем рынке регуляторы соответствуют требованиям стандарта EN 250. Это является гарантией их работоспособности. Разобравшись с диаграммами дыхания, полученных в тестовых условиях, мы определили, как влияют на характеристики регуляторов различные технические решения. А именно:

  • Использование мембраны в качестве управляющего элемента снижает падение давления в камере редуктора в процессе вдоха, снижая сопротивление дыханию.
  • Применение эффекта Вентури в первой и второй ступенях увеличивает производительность регулятора, снижая влияние падения давления в камере редуктора на величину сопротивления вдоху.
  • Сбалансированный механизм клапана первой ступени обеспечивает снижение усилия его открытия и независимость этого усилия от изменения давления в баллоне.
  • Сбалансированный механизм клапана второй ступени обеспечивает снижение усилия его открытия и независимость этого усилия от установочного давления редуктора.

Теперь мы понимаем, чем руководствовались разработчики при конструировании и с чем они боролись. Чего им удалось достичь?

Рис.1 - Схема механизма регулятора первой ступени

Действие механизмов регулятора стабильно, не зависит от глубины и давления в баллоне. Насколько это соответствует нашим понятиям об идеальном регуляторе? Вспомним, что он должен обеспечивать нам стабильную подачу воздуха, с минимальным сопротивлением дыханию, вне зависимости от внешних условий. Другими словами, действие механизмов регулятора должно быть таково, чтобы объем подаваемого воздуха не зависел от глубины или давления в баллоне. Сравните обе выделенные фразы и найдите отличие.

Объем воздуха, проходящего через седло клапана первой ступени, - произведение скорости движения воздуха на сечение клапана, Ob= V x Sk.

Скорость движения воздуха - функция V=f(DP), где DP- разница давлений над отверстием клапана и под отверстием клапана.

Под клапаном давление всегда равно установочному плюс давление окружающей среды. Над клапаном давление равно давлению в баллоне. При снижении давления в баллоне DP тоже уменьшается, причем, намного. Ведь рабочий диапазон давлений в баллоне от 50 до 220 бар. Таким образом, при изменении давления в баллоне скорость прохождения воздуха через отверстие клапана заметно снижается, следовательно, объем проходящего воздуха падает и растет сопротивление дыханию.

Идеальный регулятор должен изменять действие механизмов таким образом, чтобы компенсировать снижение скорости прохождения воздуха, увеличивая эффективное сечение клапана. Тогда объем подачи, равный произведению скорости на сечение, будет константой.

Это возможно.

На рисунке 1 приведена упрощенная схема механизма клапана редукторов Titan и Cousteau ("Aqua Lung"). Механизм является сбалансированным, но, в отличие от многих аналогичных конструкций, направляющая клапана с расположенной внутри балансировочной камерой подвешена между двумя пружинами. При решении уравнения сил, действующих на направляющую, приходим к формуле:

 

DP * Sk = Fynp.2 - Fynp.l,

где Fynp.2 и Fynp.l силы упругости пружин.

При уменьшении DP, из-за снижения давления в баллоне, пружина 2 выталкивает направляющую клапана вверх, сжимая пружину 1. При этом увеличивается ход клапана и эффективное сечение клапана. Сомневающиеся могут проверить это, составив уравнение самостоятельно. Помогу в этом всем желающим на форуме сайта.

Такая конструкция обеспечивает различие в действии механизма клапана при изменении давления в баллоне, стабилизируя объем подаваемого воздуха.

Рис. 2

Рассмотрим, что меняется при изменении глубины. Допустим, что регулятор первой ступени обеспечивает постоянный объем подаваемого воздуха не зависимо от глубины. Далее воздух попадает в шланг дыхательного автомата и через механизм клапана в камеру вдоха. Для простоты понимания представим себе всю систему в виде клапана, перепускающего воздух (рис. 2). Давление с разных сторон клапана отличается на величину установочного давления редуктора.

 

V = f(DP),

где DP = Руст. - установочное давление редуктора;
Ргл. - давление водяного столба.

Как мы помним, объем проходящего воздуха зависит от скорости движения V, а скорость зависит от разницы давлений DP. В действительности на скорость движения воздуха также сильно влияет трение на внутренних поверхностях регулятора. С увеличением глубины растет плотность протекающего через регулятор воздуха. Это приводит к заметному увеличению силы трения и снижению скорости потока.

Чтобы компенсировать это, необходимо увеличивать разность давлений DP, т.е. установочное давление редуктора, с увеличением глубины.

Таким образом, мы подошли к понятию "интеллектуальный регулятор". Интеллектуальность заключается в том, что действие механизмов регулятора зависимо от внешних условий адаптивно к изменению давления в баллоне и глубине погружения таким образом, чтобы обеспечивать стабильность параметров дыхания. Это и есть перспектива дальнейшего развития и совершенствования регуляторов.

Если посмотреть на историю "регуляторостроения", то можно четко разделить ее на этапы, а сами регуляторы на поколения.

- Первое поколение - одноступенчатые регуляторы и с совмещенными ступенями редуцирования.
- Второе поколение - регуляторы с разнесенными (двумя) ступенями редуцирования.
- Третье поколение - регуляторы с поточным дыхательным автоматом.
- Четвертое поколение - регуляторы со сбалансированными ступенями редуцирования и минимальной работой дыхания.

Регулятором пятого поколения станет "интеллектуальный" регулятор, самостоятельно регулирующий сечения клапанов, установочное давление в процессе погружения, и т.п., обеспечивая стабильно легкое и комфортное дыхание при любых внешних условиях.

Эти выводы подтверждаются конкретными разработками ведущих мировых производителей. Более того, первый регулятор пятого поколения уже прошел двенадцатимесячный цикл испытаний и готов к производству. Надеюсь, что во второй половине декабря он станет доступен российским дайверам. Это регулятор "Легенда" (Legend) "Aqua Lung".

Рис.3 - Изменение давления на выходе редуктора (LP)

Глубина, м Давление (СД) регулятора Legend, бар Давление (СД) регулятора Titan, бар
0 9.4 9.2
10 10.6 10.2
20 12 11.2
30 13.3 12.2
40 14.8 13.2
50 16.2 14.2

В конструкции сбалансированного клапана редуктора использован элемент направляющей, позволяющий изменять эффективное сечение клапана. Установочное давление редуктора растет при увеличении глубины (рис. 3), компенсируя повышающуюся плотность воздуха.

Сбалансированный дыхательный автомат обеспечивает стабильное усилие подрыва клапана и отсутствие травления, даже при увеличении установочного давления редуктора. Приятно, что при фантастических характеристиках регулятора, его стоимость не выйдет из средней ценовой категории.

В заключение хочу ответить на уже поступившие (по первой части материала) упреки в излишней техничности изложения. Физический смысл приводимых диаграмм и уравнений школьники проходят в 6-8 классах. Я уверен, что любой дайвер, усвоивший курс Open Water, без труда разберется в них при наличии желания.

Понимание принципов работы регулятора, отдельных его механизмов необходимо не только при выборе снаряжения, но, в первую очередь для его грамотной и безопасной эксплуатации, для понимания возможностей снаряжения и его адекватной оценки, особенно в экстремальных ситуациях.

Что такое грамотная эксплуатация? Чем обеспечивается безопасность и безотказность регулятора? Это вопросы, требующие отдельного рассмотрения.