В России в жилые и общественные помещения вода в большинстве случаев подаётся по стальным трубам. Стальные внутренние поверхности этих труб под действием воды окисляются и медленно разрушаются или обрастают изнутри толстым слоем твёрдой массы окислов вперемежку с результатами деятельности микроорганизмов.

Следует отметить, что даже цинкование не обеспечивает защиты внутренней поверхности стальных труб от окисления. Опыт показывает, что наружные поверхности оцинкованных стальных труб со временем меняют свой цвет, но не разрушаются под действием, например, конденсата. Внутренние же поверхности стальных даже оцинкованных труб под действием активно протекающего потока очень интенсивно разрушаются, а их поверхность покрывается массой, условно называемой «ржавчина». Последнее связано с тёмно-бурым цветом налёта на внутренних поверхностях труб.

Кусочки и крупные куски ржавчины отделяются от поверхности труб и с потоком воды устремляются к водоразборной арматуре, в том числе и к наполнительной арматуре смывных бачков. По пути куски ржавчины дробятся на более мелкие частицы, у большинства из которых размер составляет около 0,05–0,8 мм.

Для защиты запорно-регулирующих элементов наполнительной арматуры от механических частиц обычно применяют фильтроэлементы с ячейками размером от 0,1 до 0,7 мм. Они устанавливаются в большинстве случаев в центральных отверстиях штуцеров наполнительных арматур. Иногда применяются и внешние индивидуальные фильтры. Это бывает в случаях, когда необходимо задержать наряду с крупными и сравнительно мелкие механические частицы, размер которых составляет примерно 0,1–0,2 мм. Такие фильтры относятся к разряду фильтров тонкой очистки, у которых сравнительно низкая грязеёмкость. Поэтому их габариты являются относительно большими для увеличения этого показателя.

Опыт показывает, что фильтроэлементы грубой очистки с ячейками размером 0,5–0,8 мм в условиях российской действительности ведут себя по-разному. Например, при одних и тех же условиях 0,5 миллиметровые ячейки фильтроэлементов засоряются полностью в несколько раз быстрее, чем фильтроэлементы с 0,7-миллиметровыми ячейками.

Следует напомнить, что совсем недавно в быту широко применялась простейшая наполнительная арматура прямого действия и, в основном, арматура противодавления.

Её основными признаками являются:

• наличие сопла, к которому вода под давлением подводится к срезу сопла через его центральное отверстие, при этом усилие от давления воды стремится отжать прокладку от седла сопла;
• жёсткая связь между положением уплотняющей прокладки и положением поплавка, которая обеспечивается с помощью рычага и специального штока.

Достоинствами простейшей наполнительной арматуры противодавления является простота устройства и относительная неприхотливость к загрязнению рабочей жидкости.

Для защиты запорно-регулирующих элементов наполнительной арматуры от механических частиц обычно применяют фильтроэлементы с ячейками размером от 0,1 до 0,7 мм. Они устанавливаются в большинстве случаев в центральных отверстиях штуцеров наполнительных арматур. Иногда применяются и внешние индивидуальные фильтры

Слово «относительная» отражает истинное положение вещей. Все подобные наполнительные арматуры никогда не снабжались индивидуальными фильтрами для защиты их запорно-регулирующих элементов от засорения и разрушения механическими частицами. Почему? Диаметр отверстия сопла составлял величину порядка 3,0–3,5 мм, и ход клапана имел соизмеримые размеры.

Поэтому зазор между торцом сопла и рабочей поверхностью клапана при наполнении бачка был примерно равен диаметру сопла. В результате в момент интенсивного заполнения смывного бачка все механические загрязнения без задержки проскакивали через сопло и щель между соплом и прокладкой, а большинство из них оседало на дне смывного бачка. Поэтому проектировщики и конструкторы считали, что фильтр не нужен, поскольку и так всё проскакивает!

Однако в последний момент заполнения бачка зазор между торцом сопла и прокладкой уменьшается. Обычно он уменьшается плавно. В этот зазор попадают механические частицы загрязнений и также плавно придавливаются прокладкой к седлу и фиксируются на рабочей поверхности прокладки, мешая рабочему зазору сократиться до нулевых значений при малых усилиях со стороны поплавка. Это первый недостаток.

Второй недостаток простейшей наполнительной арматуры противодавления заключается в следующем. Из-за упругости прокладки и наличия механических частиц, скапливающихся в зазоре и около входа воды в этот зазор, интенсивность заполнения смывного бачка в последний момент его заполнения существенно снижается. Поэтому ГОСТ 21485–94 допускает после закрытия наполнительной арматуры поступление воды в бачок в виде отдельных капель в течение не более 20 минут.

Третий недостаток. Примерно треть времени из 20 допустимых минут зазор между торцом сопла и рабочей поверхностью уплотняющей прокладки запорного клапана составляет величину, при которой в этом зазоре с наибольшей вероятностью возникают кавитационные процессы. Если седло латунное, то его рабочая поверхность быстро разрушается, и запорный клапан становится негерметичным.

Четвёртый недостаток. Из-за того, что современные водосчётчики имеют сравнительно большую зону нечувствительности в области малых расходов воды, простейшая наполнительная арматура противодавления приводит к недоучёту объёмов воды, используемой потребителем квартиры. В процессе каждого спуска воды из смывного бачка недоучёт потребления воды может составлять от 0,5 до 1,0 л в зависимости от давления в водопроводной сети.

Пятый недостаток. Рычаг, на котором крепится приемлемого размера поплавок, в простейшей наполнительной арматуре при обеспечении рабочего хода клапана в пределах 3 мм составляет длину порядка 250 мм. Это усложняет монтаж такой наполнительной арматуры и требует некоторых специальных изменений в конструкции бачка для удобного размещения в нём наполнительной арматуры.

Шестой недостаток простейшей наполнительной арматуры противодавления сводится к увеличенному разночастотному уровню шума в момент наполнения водой смывного бачка. Он возрастает с увеличением давления в водопроводной сети, а также в последние моменты заполнения смывного бачка. При этом меняется и частотный диапазон данных шумов.

Все эти недостатки привели к появлению несколько иных, но более сложных конструкций наполнительной арматуры. Цены на такую арматуру оказались также более высокими, чем цены на арматуру, рассмотренную выше. Она условно называется наполнительной арматурой с сервоуправлением.

Её особенность заключается в следующем. Клапан основного запорно-регулирующего элемента управляется с помощью миниатюрного гидроусилителя. Последний содержит миниатюрное сопло диаметром около 1 мм с эластичной прокладкой и жиклёр сечением около 0,3 мм. Гидролиния между ними (или она же - междроссельная камера) подсоединена к поршневому устройству, на котором закреплена основная уплотняющая прокладка. Уплотняющая прокладка сопла гидроусилителя жёстко связана посредством рычага с поплавком.

В простейшей наполнительной арматуре рычагу с поплавком приходится преодолевать приличное усилие, действующее на прокладку основного клапана, величиной порядка 6 Н при давлении в сети около 0,6 МПа. В наполнительной арматуре с сервоуправлением на прокладку сервоклапана при таком же давлении уже действует усилие порядка 0,8 Н, то есть почти на порядок меньше. В результате габариты такой наполнительной арматуры, в том числе поплавка и рычага можно выполнить сравнительно малыми. Поэтому за рубежом такая наполнительная арматура очень широко распространена. Постепенно она стала всё шире использоваться и в России. Однако здесь выявился неприятный факт, который заключается в том, что наполнительная арматура с сервоуправлением не адаптирована к российским условиям эксплуатации, поскольку в ней не очень эффективно работают индивидуальные фильтры.

Жиклёры, которые входят в состав гидроусилителей, обычно имеют сравнительно маленькие размеры, составляющие доли миллиметров, примерно 0,3 мм. Поэтому и фильтр на входе делается с ячейками размером около 0,3–0,5 мм. Такие ячейки отдают работоспособность наполнительной арматуры с сервоуправлением на волю случайностей.

В российских условиях с железотрубными водопроводами ячейки фильтров могут быстро закупориться, и вода к гидроусилителю перестанет поступать. Также частица, размер которой больше, чем размер жиклёра, может прорваться через ячейку фильтра, застрять в этом жиклёре и привести основной клапан к открытию. Поэтому наполнительная арматура может оказаться в открытом состоянии и совершенно неуправляемой.

Закрытие наполнительной арматуры с сервоуправлением обычно сопровождается гидравлическим ударом, так как основной её запорный элемент не имеет ограничений по скорости закрытия. Это характерно для наполнительных арматур с увеличенной скоростью заполнения бачка. Последнее нравится потребителям, но гидравлический удар опасен для герметичности труб, особенно — для гибких подводок воды, а также для манометров, если они установлены в водопроводной системе квартиры, а также для других устройств автоматики, которых теперь в квартирах стало достаточно много.

Складывается ситуация, кажущаяся безвыходной, так как получается, что нет наполнительной арматуры с удовлетворительными эксплуатационными показателями и характеристиками. Однако, в частности, в компании, в которой трудится автор статьи, удалось создать сравнительно простую наполнительную арматуру противодавления с хорошими характеристиками, в которой отсутствуют недостатки простейшей наполнительной арматуры противодавления, описанные в начале текста. В ней даже клапан сравнительно быстро закрывается, но без гидравлического удара. Она имеет очень хорошие данные по шумовым показателям и практически длительное время не имеет проблем с нарушением работы за счёт механических загрязнений. Её габаритные размеры также являются достаточно приемлемыми даже для узких смывных бачков. В отличие от современных наполнительных арматур она исключает подсос воды из смывного бачка и воздуха из туалетного помещения в водопроводную сеть при падении в ней давления ниже атмосферного. Кроме того, стоимость этой наполнительной арматуры существенно ниже стоимости наполнительных арматур с сервоуправлением. То же можно сказать и о материалоёмкости.

Наконец, новая наполнительная арматура противодавления примерно в 1,5 раза легче аналогичной наполнительной арматуры с сервоуправлением.

Внешний вид новой наполнительной арматуры показан на рис. 1 и 2. На рис. 1 изображено фото наполнительной арматуры нижней подводки, а на рис. 2 — фото наполнительной арматуры боковой подводки.

В простейшей наполнительной арматуре боковой подводки соотношение плеч рычага, соединяющего поплавок и уплотнительную прокладку, составляет примерно 15 при ходе клапана примерно 3 мм. Такой ход вообще-то и не нужен.

Линейный участок графической зависимости расхода от зазора между соплом и клапаном составляет примерно 40 % диаметра сопла. Поэтому максимальный ход уплотняющей прокладки в новой наполнительной арматуре при диаметре седла сопла, равном 3,2 мм, выбран равным 1,2 мм. Этот максимальный рабочий ход является достаточно большим, чтобы беспрепятственно проскакивали механические частицы, которые могут просочиться через 0,6-миллиметровые ячейки фильтроэлемента, использовавшегося в предыдущей конструкции аналогичной наполнительной арматуры. Исходя из принципов той же преемственности, длина большого плеча рычага в новой наполнительной арматуре принимается равной 63 мм. Тогда длина малого плеча составит 4–5 мм.

Конструкция новой наполнительной арматуры противодавления нижней подводки приведена на рис. 3.

Удлинитель 5 позволяет сделать наполнительную арматуру универсальной для использования в смывных бачках любой высоты. Если бачок низкий, то арматура устанавливается без удлинителя, а если высокий, то в торец стойки легко вставляется удлинитель и автоматически фиксируется в заданном положении.

Фильтр 12 вставляется со стороны нижнего торца штуцера 1 до упора. В случае его засорения он легко демонтируется и после промывки снова устанавливается на место.

Уплотнительная прокладка 9 из эластичного материала имеет конусность 120°, а шайба 10, выполненная из пластмассы, скошена под углом около 6°. В бачках, стенки которых сужаются кверху, поплавок может тереться об эти стенки. Косая шайба 10 в зависимости от того, как она будет повёрнута, позволит наклонить наполнительную арматуру и отодвинуть поплавок от стенки, за которую он может цепляться. Подобная ситуация может также возникнуть из-за коробления дна смывного бачка во время отжига.

Манжета чулочного типа выполняет несколько функций. Её центральная часть служит в качестве уплотняющей прокладки запорно-регулирующего элемента. Она также совмещает роль обратного клапана, препятствующего попаданию в водопроводную сеть воды из смывного бачка и воздуха из помещения

Манжета чулочного типа 2 выполняет несколько функций.

Во-первых, её центральная часть служит в качестве уплотняющей прокладки запорно-регулирующего элемента. Во-вторых, она также совмещает роль обратного клапана, препятствующего попаданию в водопроводную сеть воды из смывного бачка и воздуха из туалетного помещения в моменты падения давления в водопроводной сети ниже атмосферного. Втретьих, манжета обеспечивает формирование междроссельной камеры М под манжетой. Междроссельная же камера так называется потому, что вода, протекающая через неё, дросселируется сначала в зазоре между соплом С и уплотняющей прокладкой манжеты 2, а затем дросселируется в щели Д, образованной соответствующими выступами дефлектора 4 и штуцера 1.

Шток 3 своим нижним торцом прижимается к центральной плоскости (к уплотняющей прокладке) манжеты 2 чулочного типа и осуществляет закрытие или открытие клапана, то есть запорно-регулирующего органа. Верхний конец штока 3 контактирует с малым плечом рычага 6, а на конце большого плеча рычага шарнирно закреплена тяга 7. Поплавок 8 пошагово крепится к тяге 7 скользит по стойке 4. В случае установки наполнительной арматуры в смывной бачок высотой более 350 мм, в торец стойки 4 вставляется удлинитель 5. Крепление стойки-дефлектора 4 к корпусу 1 осуществляется с помощью малогабаритного байонетного соединения, разработанного в ООО «ИнкоЭр» и обеспечивающего лёгкий процесс сборки, а также надёжную фиксацию.

Работает такая наполнительная арматура следующим образом. В начальный момент наполнения смывного бачка поплавок 8 под собственным весом находится в нижнем положении. Прокладка манжеты 2 под действием давления в водопроводной сети отжимается от торца седла сопла С и вода стремится попасть в междроссельную камеру М.

Следует особо отметить, что особенность этой арматуры заключается в том, что при отсутствии давления на входе в штуцер 1 прокладка манжеты 2 с некоторым незначительным усилием, обусловленным упругостью гофры манжеты 2, прижимается к торцу седла сопла С. Таким образом обеспечивается одностороннее движение потока воды. Поэтому уплотняющая прокладка выполняет также и функцию обратного клапана. Это очень упрощает и удешевляет конструкцию наполнительной арматуры.

Из междроссельной камеры М вода стремится в смывной бачок, но она предварительно дросселируется на щелях Д, образованных в месте контакта внутренней трубки дефлектора 4 и кольцеобразного выступа на штуцере 1. Это дросселирование приводит к появлению давления в междроссельной камере М. Сила от этого давления благодаря манжете 2 чулочного типа через шток 3, рычаг 6 и тягу 7 заставляет поплавок 8 ещё больше опускаться вниз. Во время наполнения смывного бачка вода в нём плавно поднимется, и поплавок 8 начинает также стремиться подниматься вверх. Однако на начальном этапе наполнения его подъёмной силы ещё недостаточно, чтобы преодолеть усилие от давления в междроссельной камере М. Постепенное же увеличение подъёмной силы поплавка 8 в итоге преодолеет усилие от давления в камере М и поплавок закроет клапан, по которому вода из водопроводной сети поступает к наполнительной арматуре. Процесс закрытия клапана происходит плавно и без резких скачков давления в водопроводе.

После очередного спуска воды поплавок 8 опустится вниз, и процесс наполнения смывного бачка повторится так же, как было изложено выше.

В результате прохождения двух участков дросселирования сводится к нулю кавитационный шум дросселирования воды в области зазора между торцом сопла и прокладкой манжеты

Несколько более сложно проходило создание наполнительной арматуры противодавления боковой подводки. Поскольку штуцер арматуры должен размещаться горизонтально в верхней части смывного бачка, а вылет поплавка должен быть как можно меньшим, например, не более 90 мм, то длинная часть рычага не могла быть больше, чем 63–64 мм. Кроме того, свободный конец толкателя оказывался в противоположном конце от оси поворота рычага. Поэтому пришлось вводить дополнительный рычаг в помощь к основному.

Конструкция новой наполнительной арматуры противодавления боковой подводки приведена на рис. 4. Некоторые элементы в этой наполнительной арматуре позаимствованы из арматуры нижней подводки. Например: штуцер 1, фильтр 12, косая шайба 10, гайка 11, эластичное уплотнение 9, манжета чулочного типа 2, тяга 7 и поплавок 8. Корпус 4 крепится к штуцеру 1 посредством байонетного соединения, о достоинствах которого упоминалось выше.

Особенность дросселирования потока, вытекающего из междроссельной камеры М, заключается в следующем. Сначала вода дросселируется в щели Д1 первый раз. Затем она протекает по каналу К к противошумной трубке и в месте выхода из канала К попадает в специально выполненное сужение Д2. Кроме того, сужение Д2 прямоугольного сечения смещено относительно центра противошумной трубки. В результате прохождения двух участков дросселирования (Д1 и Д2) сводится к нулю кавитационный шум дросселирования воды в области зазора между торцом сопла и прокладкой манжеты 2. Кроме того, смещение сужения Д2 относительно оси противошумной трубки заставляет поток двигаться в ней поперечно-поступательно, то есть поток закручивается, и из противошумной трубки он уже будет выходить сплошным. Если последнее не выполнить, то тогда поток будет литься из противошумной трубки сплошной струёй, почти не касаясь её стенок. Это приводит к шумному удару струи о поверхность заполняющей смывной бачок воды.

Работает наполнительная арматура боковой подводки, приведённая на рис. 4, так же, как и арматура нижней подводки, приведённая на рис. 3.

Обе арматуры нижней и боковой подводки обладают с точки зрения эксплуатации важными положительными свойствами. Среди них отметим следующие.

1. Относительно быстрое, но без гидравлического удара закрытие клапана в последний момент заполнения бачка.
2. Сравнительно малая чувствительность к загрязнениям воды механическими частицами. Выпускаемая сейчас миллионными тиражами в год наполнительная арматура Нпр, построенная приблизительно по такой же схеме, уже много лет по этому параметру у потребителей не вызывает нареканий.
3. Пониженный уровень шума при наполнении водой смывного бачка. Для того чтобы услышать этот шум необходимо ухо приложить к крышке бачка.
4. Материалоёмкость новой наполнительной арматуры противодавления примерно в 1,5 раза меньше, чем материалоёмкость наполнительной арматуры с сервоуправлением.
5. У новой наполнительной арматуры противодавления существенно ниже стоимость по сравнению с наполнительной арматурой с сервоуправлением.

*Чупраков Ю.И. Наполнительная арматура для смывных бачкв, адаптированная к российским условиям эксплуатации // Журнал С.О.К., июнь 2016
Автор Ю.И. Чупраков, главный конструктор ООО «ИнкоЭр»