[AR] Re: Updated custom ball valve

  • From: Paul Mueller <paul.mueller.iii@xxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Mon, 30 May 2016 10:09:32 -0600

As Ben said, I think most if not all vehicle cryo valves have short stems.
I doubt this is any help at all, but here's some info on the Space Shuttle
main fuel valve:
https://www.nasaspaceflight.com/2011/06/sts-135-crew-arrives-tcdt-mfv-work-begins-ssme-3/

On Mon, May 30, 2016 at 9:52 AM, Robert Watzlavick <rocket@xxxxxxxxxxxxxx>
wrote:

What kind of stem seal did they use?  Was it the type where you have a
cone that squeezes into a sleeve?

I hadn't seen any short stem cryo models. It might be worth me getting one
to take it apart. Were these custom or off the shelf?

-Bob

On May 30, 2016, at 10:24, Ben Brockert <wikkit@xxxxxxxxx> wrote:

To be clear, basically every vehicle I've worked on had short stem
cryo ball valves, and most of them did not leak. Torque requirements are
another issue, but it is not a universal truth that all short stem ball
valves leak out the stem.

On Monday, May 30, 2016, Robert Watzlavick <rocket@xxxxxxxxxxxxxx> wrote:

Agree that drilling out the stem would make sense.  Another option would
be to use a 1/4 shaft and 3/8 bore instead of 3/8 shaft and 1/2 inch bore
as I noticed there are standard seals and bearings made for those sizes.  I
could also go with an aluminum shaft (I did in my prototype) but you have
to be super careful to maintain the surface finish and not let it get
scratched.  There are also wear issues but anodization would likely help.
The original Swagelok design has an OD near the ball of 3/8 OD but the rest
of the stem is 1/4 inch.  However, the original stem is also designed to be
inserted from within the ball cavity which limits its overall length.

I sketched up a bearing-less design that still uses the PTFE spring seals
uses close-fit PTFE bushings instead of bearings.  I concluded that it
might be difficult to hold tolerances on the PTFE parts and that you would
really have to load up the bushings radially to keep the shaft from
wobbling around.  That's essentially the original stem packing arrangement
along with it's high torque requirements (which leaks at cryo temps with a
short stem configuration).

I would be interested to see the the seal design on this XCOR valve:
http://aerospace.xcor.com/media/5766/fuel-valve.jpg
I was originally going to duplicate that design and I even purchased a
small air cylinder but I thought I could save some weight and complexity by
using an electric servo motor instead of the air cylinder.  I also would
have had to have a separate regulator and double-acting solenoid.

-Bob

On 05/27/2016 11:09 PM, Paul Breed wrote:

The stem limit may be rigidity against the horn turning it not actual
torque...
Also how much spring can you handle in the drive....

Rotating shafts that run aricraft controls are almost always hollow
tubes...



On Fri, May 27, 2016 at 5:41 PM, Lars Osborne <lars.osborne@xxxxxxxxx>
wrote:

RE: drilling out the stem.

If you have margin on the stem yielding from torque, wouldn't it be
better in this case to reduce the OD as much as possible? A smaller OD will
reduce the friction of the stem seal.

Thanks,
Lars Osborne

On Wed, May 25, 2016 at 6:26 PM, Robert Watzlavick <
rocket@xxxxxxxxxxxxxx> wrote:

Here are the weights of the new design (lb):

Body (6061)              0.077
Stem nut (SS)            0.005
Bearings/Sleeves (SS)    0.012
Stem (SS)                0.023
Body bolts/nuts (6061)   0.015
Servo                    0.120
Ball/seats (SS/PTFE)     0.027
End caps (-6 male, 6061) 0.066
Servo hub (6061)         0.009
                  Total: 0.354 lb

Weighing all the items together comes out to 0.324 lb (some scale
resolution issues above).  I'm not sure where I got the 0.27 lb number from
before - that may have been without the servo.  And I guess the stem didn't
weigh as much as I remembered.  Brackets will add another 0.02 or so.
Switching from SS to aluminum body bolts saved a lot of weight.

For the main LOX and fuel valves, a pin connects them together since
they are effectively on a common shaft.  So I can't drill the pin hole any
deeper or the pin might slip into one or the other stem.  I could use a
longer pin but that wouldn't help the weight situation.  But for the vent
valves, I could drill out the stem somewhat.

-Bob




On 05/25/2016 11:54 AM, Paul Breed wrote:

Any reason you can't drill out the center of the SS Stem?
The stuff in the middle is adding no real strength...
IE Turn it into a tube....

Leaving 0.075 wall would reduce the weight ~35%..
0.050 wall would save > 50%




On Wed, May 25, 2016 at 9:21 AM, Robert Watzlavick <
rocket@xxxxxxxxxxxxxx> wrote:

I'll weigh the components tonight. The heaviest component by far is
the SS stem.

-Bob

On May 25, 2016, at 10:59, Paul Breed <paul@xxxxxxxxxx> wrote:

I'd be interested in the mass break down of your final valve, ie
weight of all the components....

I was looking at building a plug valve with bearings to support it and
a hollow 3D printed plug....

Paul

On Wed, May 25, 2016 at 5:57 AM, Robert Watzlavick <
rocket@xxxxxxxxxxxxxx> wrote:

I never though to ask McMaster but they responded quickly:
The vendor for the PTFE seal is Bal Seal Engineering Co Inc and
their part number is 100MB-012-T or X124209.
I can't find that part number in their catalogs but the MB describes
the spring.  The 012 is probably the series and T corresponds to Virgin
PTFE.  Attached is the datasheet I received from them.

I recall our conversation about leakage a couple of years ago and my
quick fix was to use two of them and a pressurized cavity with both 
U-cups
facing toward the pressurization port.  That did wonders for the leakage
and almost completely eliminated it.  Now that I've improved the bearing
situation, maybe it will be better.  I could add a 2nd seal in this 
design
but it would shrink the distance between the bearings down.  I could 
always
make the valve body longer if needed but that means redesigning a few 
other
things on the vehicle.

I'm using these shafts:
<https://www.servocity.com/html/3_8__precision_shafting.html>
https://www.servocity.com/html/3_8__precision_shafting.html
and it says they are 303 SS with a 10 RMS micron finish.  There are
better shafts out there but the 303 makes it easy to cut for threads for
the nut.  They tend to have some very small nicks in them from rattling
around in the bag so I used graduated sanding pads to polish them up:

<http://micro-surface.com/index.php/products-by-type/soft-touch-pads/micro-mesh-soft-touch-pad-variety-packs.html#>
http://micro-surface.com/index.php/products-by-type/soft-touch-pads/micro-mesh-soft-touch-pad-variety-packs.html#
These go all the way up to 12000 grit so I hopefully I am improving
the surface finish - it looks almost chrome plated when I'm done with
them.

I suspect though that due to shrinkage, the seal locks itself around
the shaft and it is the OD of the seal turning against the bore that
becomes the new sliding surface.  The bore looks pretty smooth, mainly
because I ran the last pass by hand instead of using the mill power feed
but I would like to polish it up some more if anybody has a good
suggestion.  I thought of making my own 0.500 sanding pad but I don't 
want
to oval the bore or take too much off since it is 6061-T6.  I've seen
rotary grinding stones - maybe those would work without taking too much
off.  I did find these although 140 grit seems pretty low:
<http://www.artcotools.com/precision-diamond-pin-gx-141c.html>
http://www.artcotools.com/precision-diamond-pin-gx-141c.html

-Bob


On 05/24/2016 10:20 PM, David Gregory wrote:

Another note: some amount of leakage for spring energized seals in 
dynamic aoolications is quite common in my experience.   Often the 
leakage will subside after the motion stops.   Also, I think I've 
mentioned before I've seen higher leakage with lower pressures due to 
insufficient preload (at higher pressures the seal is assisted by the 
fluid pressure).  What surface finish do you have on the shaft?   16 or 
better is typically called for.

David










Other related posts: