В данном классе оборудования особенно выделяются квартирные гидроредукторы, предназначенные для понижения давления и обеспечения постоянства выходного давления независимо от расхода рабочей среды. Если такое устройство не обеспечивает более или менее приемлемого постоянства давления на выходе при изменении расхода, то оно называется просто «гидроредуктор».

Озвученное выше узаконено в ГОСТ Р 55023–2012 «Регуляторы давления квартирные…» [1]. Автор считает, что слово «регуляторы», исходя из текста данного ГОСТ, следовало бы заменить словом «гидроредукторы», которое более чётко ограничивает возможности описываемых в них устройств. Поэтому в дальнейшем будет использоваться словосочетание «квартирные гидроредукторы» или просто «редукторы», как более соответствующие содержанию настоящей статьи, а не «квартирные регуляторы давления».

Квартирные гидроредукторы в связи с бумом строительства высотных домов в настоящее время очень востребованы строителями. Они уже доказали ряд своих несомненных преимуществ перед другими способами понижения давления воды, поступающей к водоразборной арматуре потребителей. В высотном многоквартирном доме давление воды в стояках может поэтажно отличаться в несколько раз и более. На верхних этажах оно может уменьшаться до 1,0–1,5 атм, а на нижних — составлять величину, большую 10 атм, вплоть до 25 атм. В последнем случае понизить давление удаётся только с помощью двух последовательно установленных гидроредукторов, однако в этом случае возникает масса проблем, которые можно решить, несколько модернизировав первый гидроредуктор.

Слова «квартирный редуктор» и «квартирный регулятор давления» появились в конце 2000-х годов. Здесь автором слова «квартирный» является автор этой статьи. И термин «регуляторы давления квартирные» был введён в ГОСТ Р 55023 [1], принятый в 2013 году.


Гидроредукторы КФРД 10-2.0(2) [слева] и КФРД 10-2.0(1) [выпуск версии (1) прекращён]

Что такое «квартирный» гидроредуктор, и как его отличить от «простого» («обычного») регулятора давления?

Это можно сделать на основе анализа паспортных данных (в силу сложившихся традиций этих данных в паспорте на изделие почти нет), а можно экспериментально, на основании стендовых испытаний. Автор уверен, что экспериментально это можно выполнить гораздо проще и с высокой точностью даже в домашних условиях, без специальных приборов, но только при условии, что в квартиру централизованно подаётся холодная и горячая вода. Проверка устройства выполняется следующим образом.

После установки в квартире квартирных гидроредукторов в магистрали ввода горячей и холодной воды кранами смесителя с душевой насадкой нужно добиться того, чтобы струи воды из душевой лейки были достаточно интенсивными и имели достаточно комфортную температуру. После этого на кухне следует открыть кран холодной воды, а затем проверить температуру воды, вытекающей из душевой сетки. Проверку температуры воды можно осуществлять рукой, подставленной под струи душевой лейки. Если температура воды окажется ощутимо высокой, то такой гидроредуктор не является квартирным. Аналогичную процедуру можно повторить, закрыв на кухне холодную и открыв горячую воду.

Несомненно, у квартирных гидроредукторов есть масса показателей, по которым можно судить об их качестве. Среди них следует отметить надёжность, уровень шума, величину пропускной способности, прочность материала корпуса при приложении внешнего изгибающего момента, герметичность относительно внешней среды, ремонтопригодность и герметичность затвора. Кроме того, квартирные гидроредукторы должны достаточно долго (десятилетиями!) работать без какого-либо вмешательства и излишнего контроля за их работой.

Однако главным показателем качества работы квартирного гидроредуктора является его основная регулировочная характеристика, графически изображающая зависимость давления воды на выходе гидроредуктора pвых от текущего значения объёмного расхода воды Q.

Термин «регулировочная характеристика» в начале 2000-х годов также было предложена автором, и только в 2012 году оно было узаконено в ГОСТ Р 55023 [1]. До этого времени Европа, в том числе и Россия, для оценки качества работы гидроредукторов использовали зависимость падения давления на редукторе от объёмного расхода воды. Это был некий невнятный показатель, из которого невозможно было понять, чего ждать от конкретного гидроредуктора, и годится ли он для использования в квартирах с централизованной подачей холодной и горячей воды с учётом установленных в них смесителей.

Важными показателями регулировочной характеристики являются величина давления на выходе гидроредуктора в безрасходном режиме pбр, а также форма и характер кривой на графике этой зависимости. Обычно графики этой зависимости имеют гистерезисный вид с наклоном к оси объёмного расхода воды Q. Примеры таких характеристик приведены на рис. 1б. На этом рисунке и на последующих регулировочные характеристики будут представлены в безразмерном виде. В частности, за безразмерный расход Q_ принято считать отношение текущего расхода к максимальному. Для квартирного гидроредуктора Qmax = 0,5 л/с. В результате максимальная величина безразмерного максимального расхода будет равна единице. Аналогично имеется такая характеристика, как безразмерное выходное давление гидроредуктора p_вых, которое принято рассчитывать, как отношение текущего выходного давления pвых к значению давления за гидроредуктором в безрасходном режиме. Естественно, и максимальное значение безразмерного выходного давления будет равно единице.


Рис. 1. Лучшие гидроредукторы давления начала XXI века [а — наиболее перспективная принципиальная конструктивная схема регулировочного узла отечественного квартирного гидроредуктора давления (1 — корпус; 2 — эластичная диафрагма; 3 — седло запорного клапана; 4 — уплотняющая прокладка с люлькой; 5 — стержень: — цилиндрическая пружина: 7 — шаровой кран с Dу10; 8 — водоразборные краны); б — примеры регулировочных характеристик лучших гидроредукторов того времени (1′ — регулировочная характеристика отечественного квартирного гидроредуктора; 2′ — желаемая регулировочная характеристика квартирного гидроредуктора; 3′ — регулировочная характеристика зарубежного гидроредуктора в состоянии поставки; 4′ — регулировочная характеристика гидроредуктора поз. 3 после удаления консистентной смазки с трущихся поверхностей его деталей; 5′ — характеристика гидроредуктора поз. 4 в результате крутого уменьшения расхода воды вместо его увеличения; 6′ — характеристика редуктора поз. 4 в результате крутого увеличения расхода воды вместо его уменьшения)]

Представление регулировочных характеристик гидроредукторов в безразмерном виде позволяет избавиться от масштабных искажений и обеспечить возможность реального сравнения регулировочных характеристик квартирных гидроредукторов и просто «обычных» гидроредукторов.

Перед изучением регулировочных характеристик квартирных гидроредукторов следует отметить, что на настоящий момент данные устройства могут быть двух типов: поршневые и мембранные. Однако поршневые квартирные гидроредукторы не справляются с их главным назначением при использовании в квартирах — обеспечением постоянства давления воды на выходе при изменении расхода, и вот почему.

Идеальный квартирный гидроредуктор должен иметь основную регулировочную характеристику в виде горизонтальной прямой, как это показано штриховой линией 2′ на рис. 1б. Однако современные устройства для понижения давления, даже названные квартирными редукторами, имеют очень сложную и, не побоимся этого слова, «ужасную» характеристику. Одна из них приведена на рис. 1б и обозначена цифрой 3′. Она получена в процессе стендовых испытаний приобретённого в магазине импортного гидроредуктора, имеющего №0614.

Это гидроредуктор поршневого типа (его схема здесь не приведена, но она практически ничем не отличается от современных гидроредукторов поршневого типа), и его подвижные элементы для обеспечения герметичности имеют уплотнения в виде эластичных (видимо, резиновых) колец круглого сечения с достаточно большим начальным натягом.

На фоне других поршневых гидроредукторов у испытуемого устройства характеристика оказалась с точки зрения ширины петли гистерезиса относительно сносной, но недостаточно удовлетворительной. Однако наклон петли гистерезиса оказался для квартирного гидроредуктора недопустимым. Кроме того, выяснилось, что в процессе периодической работы на горячей воде через неделю его гистерезис увеличился почти в полтора раза. После разборки данного устройства оказалось, что внутренние поверхности гидроредуктора были обильно покрыты консистентной смазкой, которая вымывалась водой. Процесс вымывания смазки был ускорен протиранием смазанных поверхностей ветошью. После этого ширина петли гистерезиса увеличилась с 10 до 24%, что для квартирного гидроредуктора вместе с крутым наклоном петли гистерезиса недопустимо.

Из-за трения подвижных элементов о внутренние стенки корпуса основная характеристика (регулировочная характеристика) поршневого гидроредуктора из прямой линии трансформируется в плавные кривые петли гистерезиса, обозначенные цифрой 4′. Нижняя кривая получена «по-точечно» в процессе увеличения объёмного расхода, а верхняя — в процессе его уменьшения. Это отмечено стрелками на обеих линиях.

Кроме того, если так же «по-точечно» снимать характеристику поршневого гидроредуктора в сторону увеличения расхода, а потом изменить расход в обратную сторону (в сторону уменьшения), то точки не пойдут по уже предварительно полученной кривой, а будут ложиться так, что кривая пойдёт резко вверх, как это показано на рис. 1б и обозначено цифрой 5′. Аналогичная ситуация будет иметь место и в процессе замеров при уменьшении расхода — по кривой 6′.

Таким образом, при изменении расхода только с помощью второго крана невозможно вернуть начальные значения предыдущего состояния. Это говорит о том, что, пользуясь сначала одним краном и установив нужную температуру воды, после применения параллельного крана и возвращения его в первоначальное положение невозможно получить первоначально установленную температуру воды.

Прямая линия, которая в идеале должна характеризовать основной показатель качественной работы квартирного гидроредуктора, трансформировалась в сложную петлю гистерезиса, кривые которой на рис. 1б обозначены цифрами 4′, 5′ и 6′. Причиной такой деформации являются следующие обстоятельства, вызванные работой гидроредуктора. В процессе работы меняется зазор между запорным клапаном и седлом, а также в результате перемещения чувствительного элемента (например, поршня) меняется и усилие пружины. К тому же в процесс вклинивается квадратичная зависимость между расходом и перепадом давлений.


Гидроредуктор КФРД 10-2.0(1)

Ранее к классу квартирных гидроредукторов можно было отнести только КФРД 10–2.0(1), выпускавшийся до 2008 года. Его регулировочная характеристика приведена на рис. 1б и обозначена цифрой 1′. Эта характеристика имеет сравнительно малую ширину петли гистерезиса, а также очень маленький наклон этой петли к оси расхода. Сейчас такого высокого качества регулировочной характеристики не имеет ни один гидроредуктор в мире. Высокое качество регулировочной характеристики этого «по-настоящему квартирного» гидроредуктора было получено благодаря удачному выбору принципиальной схемы и уходу от сложившихся конструктивных решений и некоторых размерных соотношений его элементов и узлов. Принципиальная схема регулировочного узла гидроредуктора КФРД 10–2.0(1) приведена на рис. 1а. Здесь и в последующих рисунках гидроредукторов не будет показан фильтр и опорные диски диафрагмы.

Связующим звеном элементов гидроредуктора является его корпус 1. В нём размещены: эластичная диафрагма 2; седло 3 запорного клапана; уплотняющая прокладка 4 с люлькой, которая закреплена на нижнем конце стержня 5, а его верхний конец жёстко связан с диафрагмой 2; цилиндрическая пружина 6; шаровой кран 7 с Ду10; два крана 8 (элементы испытательного стенда). Особенностью этого квартирного гидроредуктора было выполнение диафрагмы с эффективной площадью, более чем в 25 раз превышавшей эффективную площадь отверстия сопла. В современных, самых лучших зарубежных гидроредукторах эта величина составляет, как правило, 5,0.

Особенности регулировочной характеристики 1′, приведённой на рис. 1б: ширина петли гистерезиса не более 5%; давление на выходе в рабочем диапазоне расходов (не менее 80% от величины давления на выходе в безрасходном режиме); протяжённость «ложки» характеристики с большей крутизной составляет около 15% от максимальной величины расхода; при расходе более 60% от максимального кривая петли гистерезиса увеличивает свою крутизну наклона к оси расходов. Это указывает (с учётом данных испытаний других подобных гидроредукторов) на влияние увеличенного гидравлического сопротивления шарового запорного крана с Ду10 вместо крана с Ду15.

Характерным признаком квартирного гидроредуктора КФРД 10–2.0(1) является увеличенный диаметр его корпуса в месте размещения диафрагмы. Его размер соизмерим с шириной ладони взрослого человека. Однако гидроредукторы в большинстве случаев делают с диафрагмами, эффективная площадь которых лишь в несколько раз больше площади сечения сопла. В то время как уже давно на практике доказано, что в этом случае герметичность запорного клапана существенно снижается.

В 2007–2008 годах был спроектирован и сейчас серийно выпускается гидроредуктор КФРД 10–2.0(2), принципиальная конструктивная схема которого приведена на рис. 2а. На ней условно показана вспомогательная мембранная полость, обеспечивающая независимость выходного давления от давления на входе (в многоэтажных домах оно существенно разнится).


Рис. 2. Выпускающийся в настоящее время отечественный квартирный гидроредуктор давления [а — принципиальная конструктивная схема лучшего и выпускаемого в настоящее время отечественного квартирного гидроредуктора давления с ножеобразным седлом трубчатого типа; б — регулировочные характеристики массово выпускаемых в настоящее время гидроредукторов (1′ — регулировочная характеристика отечественного квартирного гидроредуктора; 2′ — регулировочная характеристика одного из современных массово выпускаемых гидроредукторов давления с принципиально новым запорно-регулирующим органом); в — конструкция принципиально нового запорно-регулирующего органа гидроредуктора с повышенной степенью герметичности (1 — уплотнительная прокладка; 2 — седло в виде кольцевой проточки в корпусе клапана; 3 — шток клапана)]

Отечественный гидравлический редуктор КФРД 10–2.0(2) получился очень компактный, надёжный и более дешёвый, чем КФРД 10–2.0(1).


Новые гидроредукторы КФРД 10-2.0(2) [слева] и ФРД 10-2.0(2)

Характеристики этого устройства незначительно изменились (они приведены на рис. 2б и отмечены цифрой 1′), однако решилась задача по применению КФРД независимо от уровня давления (этажности). Главным является то, что этот гидравлический редуктор в настоящее время оказался единственным среди известных и продаваемых, который можно только условно считать «квартирным» из-за недопустимо высокой крутизны расходной характеристики при малых и больших расходах, а также из-за тенденции в процессе эксплуатации к недопустимо большому увеличению ширины петли гистерезиса этой характеристики. Как уже отмечалось, заметно снизилась стоимость этого квартирного гидроредуктора, он оказался более неприхотлив в эксплуатации по сравнению с другими аналогичными устройствами, в том числе и с зарубежными, и очень компактным.

Однако, в сравнении с другими гидроредукторами, этот редуктор давления пока обладает наилучшими показателями с точки зрения требований к квартирным гидроредукторам, то есть он — лучший среди существующих (которые, к сожалению, не отвечают главным требованиям упомянутого ГОСТ Р 55023 [1]).

На российском рынке сейчас появилось большое количество гидроредукторов, которые производители также называют «квартирными», спекулируя на их сравнительно низкой стоимости. Строители ведутся на эти уловки. В результате через некоторое время эксплуатации вдруг возникают проблемы с качеством работы таких устройств. У них вдруг ухудшается герметичность запорного органа, редукторы при наборе воды из крана начинают гудеть, потребитель не может получить из крана воду постоянной температуры. Часто у таких гидроредукторов нарушается и наружная герметичность (корпуса). С квартирными гидроредукторами КФРД 10–2.0(2) такого не происходит.

Запорный орган большинства гидроредукторов, в том числе и гидроредукторов, рассмотренных выше, состоит из кольцеобразного седла со слегка заострёнными кромками и из уплотняющей прокладки. Такой проверенный десятилетиями запорный клапан кому-то захотелось улучшить. И вот эта конструкция появилась. Она изображена на рис. 2в.

Уплотняющая прокладка 1 в виде эластичной шайбы крепится в проточке штока 3 клапана. В качестве седла служит кольцеобразное углубление 2 в корпусе клапана. Направление потока воды показано стрелками. Целью создания такого устройства явилось, по-видимому, стремление к повышению герметичности запорно-регулирующего органа клапана, что в квартирных гидроредукторах является одной из важнейших задач. И эту задачу он выполняет. Однако его шумовые показатели при повышенных перепадах давления значительно увеличены по сравнению с запорно-регулирующими органами гидроредукторов, приведённых на рис. 1а и 2а.

Кроме того, у такого гидроредуктора существенно ухудшена регулировочная характеристика. Она приведена на рис. 2б и обозначена цифрой 2′. Увеличенная ширина петли гистерезиса в диапазоне рабочих расходов (вследствие особенностей нового запорно-регулирующего органа) лишает такой гидроредуктор возможности быть использованным в качестве квартирного. Гидроредукторов с такими запорно-регулирующими органами в Российской Федерации, да и за рубежом, появилось много. Их охотно покупают, а потом сильно огорчаются.

С целью исключения боковых сил и их «внецентрового» существования, работая в Мосводоканале главным специалистом, автор ещё в 2000-х годах спроектировал и изготовил макет принципиально нового квартирного гидроредуктора, принципиальная конструктивная схема которого приведена на рис. 3а. Впоследствии данная схема была взята за основу при проектировании квартирного гидроредуктора КФРД 10–2.0(1).

В этом лабораторном макете стержень 5 был продлён над манжетой 2 и выполнен с заострённым верхним концом. На стержень 5 надевался стакан 9, дно которого имеет конусную поверхность, благодаря которой острая часть стержня 5 точечно контактирует с центром дна стакана 9. На «отбортовку» стакана опирается нижний торец пружины 6. Другой же её конец упирается в «потолок» корпуса гидроредуктора. Благодаря этому осуществляется передача усилия пружины 6 точно по оси подвижных элементов и исключаются боковые усилия от действия пружины, а также силы контактного трения, обусловленные боковыми силами цилиндрической витой пружины. Это существенно снижает ширину петли гистерезиса регулировочной характеристики квартирного гидроредуктора, которая на рис. 3а обозначена цифрой 1′.

Из-за неудачно подобранной пружины с более высокой жёсткостью, чем хотелось бы, наклон петли гистерезиса можно было бы сделать поменьше — однако это макет. Для макета это приемлемо и даже наглядно иллюстрирует влияние жёсткости пружины на крутизну регулировочной характеристики. Главный же результат — очень маленькая величина ширины петли гистерезиса, она находится в пределах 3%. Ни один из известных гидроредукторов такой узкой петлёй гистерезиса в настоящее время не обладает.

Следует также отметить, что большой диаметр диафрагмы в том числе решает проблему автоколебаний гидроредуктора. Большая эффективная площадь, а также смачивающая способность поверхности диафрагмы, которая захватывает «прилипающую» к её нижней поверхности воду, обеспечивает эффективное гашение автоколебаний гидроредуктора.

КФРД 10–2.0(1) и КФРД 10–2.0(2) снабжены демпферами «сухого» трения для защиты от автоколебаний, кроме того, это обеспечивает длительную эксплуатацию на воде с избыточной минерализацией. В обоих исполнениях отсутствуют пары трения «металл — металл», на которых и высаживается осадок солей, приводящий к заклиниванию гидроредукторов.


Рис. 3. Первый вариант модернизации квартирного гидроредуктора [а — принципиальная конструктивная схема квартирного гидроредуктора с разгрузкой от боковых сил пружины на подвижные элементы клапанной системы редуктора (1, 2, 3, 4, 7 и 8 — из рис. ; 5 — удлинённый стержень; 6 — цилиндрическая пружина; 9 — стакан); б — регулировочная характеристика 1′ модернизированного квартирного гидроредуктора]

Получив хорошую характеристику квартирного гидроредуктора (рис. 3), автор стал искать другие технические решения, которые позволили бы с минимальными затратами решить проблему исключения боковых сил при использовании витых пружин, и нашёл их. Этим требованиям полностью отвечают бочкообразные витые пружины. Проще не бывает.


Рис. 4. Второй вариант модернизации квартирного гидроредуктора [а — ещё один из вариантов модернизации квартирного гидроредуктора, который отличается введением в конструкцию вместо простой цилиндрической пружины с сопутствующими деталями одной бочкообразной пружины 6; б — регулировочная характеристика 1′ последнего варианта квартирного гидроредуктора, её характер почти не отличается от желаемой зависимости 2′ (она также приведена на рис.  штриховой линией и отмечена как 2′); на поле графика вместе с 1′ также нанесена и отмечена как 2′ регулировочная характеристика зарубежного так называемого «квартирного» гидроредуктора (серийно выпускаемого), а также регулировочная характеристика 3′ этого же гидроредуктора с новым чувствительным элементом (мембраной вместо поршня и с пружиной меньшей жёсткости)]

Регулировочная характеристика квартирного (настоящего квартирного) гидроредуктора приведена на рис. 4б и обозначена цифрой 1′. Она получена при испытании макета устройства — доработанного и модернизированного образца гидроредуктора КФРД 10–2.0(1), из которого был удалён шаровой кран. Анализ этой характеристики позволяет сделать вывод, что её показатели более полно соответствуют требованиям, предъявляемым к квартирным гидроредукторам.

Факт существенного влияния диафрагмы и уменьшения жёсткости пружины на улучшение качества регулировочной характеристики гидроредуктора показательно подтверждён не только автором, но и зарубежными исследователями.

Следует отметить, что после модернизации этого гидроредуктора, которая свелась к установке чувствительного элемента в виде эластичной диафрагмы и замены сравнительно жёсткой пружины на пружину меньшей жёсткости, регулировочная характеристика модернизированного гидроредуктора существенно изменилась в лучшую сторону. На рис. 4б она обозначена цифрой 3′. В этом случае параметры петли гистерезиса, обусловленной трением резиновых колец штока о поверхность корпуса, пока недостаточно удовлетворительны.

В области рабочих расходов ширина и наклон регулировочной характеристики данного гидроредуктора всё-таки великоваты. Поэтому этот гидроредуктор пока нельзя использовать в качестве квартирного гидроредуктора.