[AR] Re: Updated custom ball valve

  • From: Henry Vanderbilt <hvanderbilt@xxxxxxxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Mon, 30 May 2016 09:19:18 -0700

I believe Worcester offers short-stem options for cryo valves. The drawings at https://www.flowserve.com/files/Files/Literature/ProductLiterature/FlowControl/WorcesterControls/WCENBR1040-01.pdf may tell you a bit about how they go about sealing things.

Henry

On 5/30/2016 8:52 AM, Robert Watzlavick 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
<mailto: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
<mailto: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
    <javascript:_e(%7B%7D,'cvml','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
        
<<javascript:_e(%7B%7D,'cvml','rocket@xxxxxxxxxxxxxx');>rocket@xxxxxxxxxxxxxx
        <javascript:_e(%7B%7D,'cvml','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
            
<<javascript:_e(%7B%7D,'cvml','rocket@xxxxxxxxxxxxxx');>rocket@xxxxxxxxxxxxxx
            <javascript:_e(%7B%7D,'cvml','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
                
<<javascript:_e(%7B%7D,'cvml','paul@xxxxxxxxxx');>paul@xxxxxxxxxx
                <javascript:_e(%7B%7D,'cvml','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
                
<<javascript:_e(%7B%7D,'cvml','rocket@xxxxxxxxxxxxxx');>rocket@xxxxxxxxxxxxxx
                <javascript:_e(%7B%7D,'cvml','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: