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" Perfectionnements aux pales d'hélices ".
La présente invention est relative à des perfectionnements aux hélices et, plus particulièrement, aux hélices pour l'aéronautique.
Il est bien connu que, pour toute section d'aile d'une pale et tout rapport entre les vitesses d'avancement et de rotation, il existe pour chaque élément de la pale un angle d'attaque qui donne le rendement maximum. Une pale à pas fixe ne possède son maximum de rendement que pour une seule valeur du rapport entre la vitesse d'avancement et la vitesse de rotation. Dans les hélices à pas variable antérieures, on cherche à obtenir des rendements qui, en tous les points d'une large éohelle de valeurs du rapport entre la vitesse d'avancement et la vitesse périphé-
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rique, se rapprochent du rendement maximum qu'il est possible d'obtenir avec des hélices à pas fixe établies pour le maximum de rendement à chacune des valeurs de ladite échelle en changeant le pas de la pale d'hélice à pas variable, soit à la main, soit automatiquement.
Il est connu aussi que, dans le but d'obtenir la produotion maximum de force motrice d'une hélice, il faut que le pas et (ou) le diamètre soient réglés de façon à permettre au moteur de tourner au nombre de tours maximum possible sans excéder la limite de vitesse de sécurité du moteur. Par conséquent, pour une hélice donnée ayant un diamètre approximativement oorrect, il faut faire varier le pas par rapport à la vitesse d'a- vancement de façon à permettre un nombre de tours désiré du moteur.
Dans les hélices à pas fixe ordinaires, on choisit les formes d'ailes et les formes planes des pales qui ont le rendement maximum lorsque l'hélice travaille dans un groupe de conditions déterminées. Ces conditions peuvent être : a) 87 % de la puissance du moteur et vitesse de croisière; b) pleine puissance du moteur et vitesse de croisière; c) pleine puissance du moteur et vitesse la plus favorable à une ascension; eto..
Chacune de ces conditions correspond à une hélice géométrique prédéterminée qui possède un angle dont la tangente est le rapport de la vitesse d'avancement à la vitesse périphérique d'une certaine section de base située à une distance déterminée du centre de l'hélice. On voit par conséquent que, pour chaque régime de vol, il existe un angle d'hélice déterminé pour lequel une hélice à pas fixe peut être calculée de façon à absorber une puissanoe donnée et à posséder un rendement maximum pour ce régime, mais que, lorsque l'hélice à pas fixe travaille dans d'autres conditions, le rendement de cette hélice tombe
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nécessairement rapidement.
On a recours aux hélices à pas variable en vue de diminuer la perte de rendement qui se produit lorsque, en fonctionnement, on s'écarte du groupe de conditions ayant servi de base pour la construction de l'hélice. Toutefois, le rendement des hélices ordinaires à pas réglable ne peut pas être maintenu à sa valeur maximum, d'une part parce que la torsion de la pale ne peut être correcte que pour une hélice ( géométrique ) prédéterminée et, d'autre part, parce que le réglage du pas de la pale est déterminé par des moyens qui sont imparfaits s'ils dépendent soit du jugement du pilote, soit du fonctionnement de mécanismes complexes.
Les hélices à pas automatiquement variable couramment utilisées présentent en outre l'inconvénient de la complexité des mécanismes reliés entre eux, lesquels mécanismes comprennent ordinairement des régulateurs de vitesse servant à régler le nombre de tours du moteur, un 'servo-moteur servant à régler le pas des pales, des engrenages reliant les pales entre elles et une commande manuelle supplémentaire permettant de régler le pas de la pale à l'aide du servo-moteur, à volonté. La complexité des dispositifs est une des causes du prix élevé et du faible facteur de sécurité des avions modernes.
L'invention utilise les forces aérodynamiques et les forces centrifuges pour agir sur des pales pivotantes de telle manière qu'on obtienne automatiquement les valeurs désirées de l'angle d'attaque de la pale, par rapport à la trajectoire hélicoïdale de cette pale pendant le vol, et les nombres de tours désirés du moteur, en vue d'obtenir le maximum de rendement et le maximum de puissance pour toutes les conditions de travail.
Les angles d'attaque désirés sont ceux qui permettent au moteur de tourner à sa vitesse maximum admissible de façon qu' on puisse obtenir le maximum de puissanoe du moteur et, par conséquent, la poussée la plus grande possible, pour toutes
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les vitesses de l'avion allant de l'état statique jusqu'à et au delà de la vitesse maximum du vol en palier.
En vue de la réalisation de ces résultats, on choisit pour la pale des profils d'aile possédant des caractéristiques aérodynamiques appropriées, on place l'axe de pivotement de la pale dans une position oonvenable par rapport à la section d' aile, on donne à l'angle d'attaque de la pale la valeur la plus favorable au régime de vol pour lequel on désire que l'avion fonctionne avec le maximum d'efficacité et on distribue oonve- nablement les masses de la matière de la pale en secondant oette distribution, s'il y a lieu, à l'aide de contrepoids.
On peut obtenir tous moments désirés et tout taux de variation des moments, dans une pale rotative, en réglant convenablement les masses, tant en grandeur qu'en ce qui concerne leur position angulaire par rapport au plan de rotation et à l'axe du pas de la pale.
De même, en situant convenablement le profil d'aile de la pale par rapport à son axe de pas, on peut obtenir une grande éohelle de moments aérodynamiques et une grande échelle des taux de variation de ces moments.
Il est bien connu que l'application de oontrepoids oonvenables permet d'obtenir des moments oapables d'équilibrer la tendance des pales à la perte de pas sans provoquer des effets de vibration nuisibles comme résultat d'impulsions du moteur.
De même, il est possible d'utiliser l'effet de contrepoids des masses pour équilibrer les moments aérodynamiques d'une pale d'hélice d'une manière prédéterminée et telle que le pas varie de la manière désirée sur toute l'échelle des vitesses d'avancement de l'avion et celle des nombres de tours du moteur tout en évitant les effets nuisibles de la vibration du moteur sur l'hélice.
Un autre inconvénient des hélioes à pas variable des ap-
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pareils actuels est que le taux de variation du pas est limité à un degré tel que, dans le cas d'un arrêt du moteur, l'hélice agit immédiatement à la façon d'un frein ou d'un " moulin à vent et impose une charge préjudiciable à l'autre moteur ou aux autres moteurs en service déjà surchargés.
Un autre but de l'invention est par conséquent d'établir une hélice telle que, dans le cas où, pour une raison queloon- que, le moteur oesserait de l'entrainer, les pales se mettront à plat" c'est-à-dire qu'elles prendront un pas qui offira le minimum de freinage au mouvement de l'avion pendant le vol.
Selon la présente invention on construit une pale d'hélice destinée à une hélice à pas variable, dans laquelle la pale est pivotée et dans laquelle les moments aérodynamiques et centri- fuges agissant sur la pale coopèrent pour varier le pas de l'hé- lice, cette pale étant caractérisée par le fait que la distri- bution de ba masse par rapport au plan de rotation et à l'axe de pivotement de la pale est telle que les dits moments centri- fuges agissent dans un sens qui tend à augmenter le pas pour de faibles valeurs de 1- et dans un sens tendant à diminuer le nd pas pour de grandes valeurs de V/nd ( V représentant la vitesse nd d'avancement de la pale en mètres par seconde, n le taux de ro- tation du moteur en nombre de tours par seconde et d le diamè- tre en mètres de l'hélice déorite par l'élément de pale moyen ).
L'invention comprend aussi une hélice à pas réglable oom- portant une série de pales pivotantes telles que celle susmen- tionnée. Elle comprend en outre un moyeu d'hélice comprenant un organe d'entraînement et un organe entrainé et une liaison dtentrainement élastique entre ces deux organes, l'organe en- traîné étant oentré positivement de façon à être protégé contre tout déplacement radial par rapport à l'axe de rotation de 1' hélice, mais étant capable de pivoter autour d'un axe qui est perpendiculaire à l'axe de rotation de l'organe d'entraînement.
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Pour mieux faire comprendre l'invention et faciliter sa mise en pratique, on la décrira ci-après en se référant au dessin annexé sur lequel :
La figure 1 est une vue en plan d'une hélice établie conformément à l'invention et destinée à un avion.
La figure 2 est une vue de faoe de cette hélice.
La figure 3 représente, à plus grande échelle, la portion intérieure d'une pale d'hélice, munie d'un contrepoids servant à régler la distribution de masse, d'échelles à vernier destinées à être utilisées pour effectuer la mise en position précise du contrepoids en vue de régler la distribution de masse et d' échelles à vernier destinées à être utilisées pour effectuer la mise en position précise du contrepoids par rapport à la section d'aile de la pale.
La figure 4 est un diagramme représentant l'équilibrage d'un couple de poussée inégal par un couple résultant d'efforts centrifuges agissant sur les pales d'une hélice lorsque la poussée est telle qu'elle provoque la rotation de l'hélice hors de sa trajectoire.
La figure 5 est une vue de faoe de l'hélice et représente une demi-coupe du moyeu et des portions des pales avec coupe et arrachement partiels.
La figure 6 est une vue de dessous de l'hélice de la figure 5 et représente le moyeu et une partie d'une pale par une demi-coupe, aveo arrachement des pales.
La figure 7 est une vue en bout en regardant de la gauche vers la droite de la figure 6, la pale d'hélice la plus rapprochée de l'observateur étant supposée enlevée et l'aile de retenue partiellement brisée.
La figure 8 est une vue en bout de la portion interne de la pale dans deux positions de fonctionnement différentes.
La figure 9 est une représentation schématique du fono-
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tionnement d'une hélice à pas fixe.
La figure 10 est une représentation schématique du fonctionnement d'une hélice à pas variable comportant certains prinoipes inolus dans la réalisation de l'invention.
La figure 11 est une représentation schématique d'une pale d'hélice pivotante stable dans laquelle les masses sont convenablement distribuées et qui fonctionne selon un autre mode de réalisation de l'invention.
La figure 12 est un diagramme comparatif montrant les poussées relatives qu'il est possible d'obtenir avec les trois types d'hélice représentés par les figures 9, 10 et 11.
La figure 13 est un diagramme représentant les moments relatifs qui agissent sur des masses pivotantes et tournantes telles que des pales d'hélice pivotantes et leurs accessoires.
La figure 14 est un diagramme montrant les moments aéro- dynamiques d'un profil d'aile tel qu'un profil d'aile de pale d'hélice autour d'un point de base fixe, en relation avec les angles d'attaque dudit profil,
La figure 15, enfin, est un diagramme représentant à titre d'exemple la combinaison des diagrammes des figures 13 et 14 et faisant ressortir l'équilibre et la stabilité d'une pale d'hélice sous les angles d'attaque désirés, par rapport à l'angle hélicoïdal de la section moyenne de la pale et, par suite, par rapport à la vitesse d'avancements
LA PALE :
Sur le dessin, on a représenté une hélice comportant les caractéristiques de l'invention.
Comme le montrent les figures 1 et 2, cette hélice comprend deux pales pivotant librement et destinées à être actionnées par le villebrequin d'un moteur à combustion interne d'aéronef, par l'intermédiaire d'une transmission de commande appropriée et, de préférence, par l'intermédiaire d'une liaison élastique, d'une manière et pour les buts
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décrits plus en détail ci-après.
Les pales 10 ont la forme d'une aile en section sensiblement sur toute leur longueur et vont en s'amincissant vers un plan en allant de la corde maximum vers la racine 12, d'une part, et vers la pointe 14, d'autre part. La section d'aile de la pale est de préférence dérivée d'une aile qui possède une efficacité convenable et des caractéristiques aérodynamiques connues et qui, lorsqu'elle a été montée, assure la stabilité désirée.
Les pales peuvent être faites de toutes matières légères appropriées, telles que l'aluminium ou un alliage de magnésium forgés, chaque pale étant de préférence construite de telle sorte que la ligne reliant les centres de gravité des sections, c'est-à-dire l'axe de gravité G - G, soit sensiblement reotiligne et déportée graduellement dans deux directions par rapport à l'axe de pivotement P - F de la pale, la mesure dont le centre de gravité est ainsi déporté dans chaque direction dépendant de la valeur nécessaire pour réduire au minimum les efforts de flexion qui s'exercent sur la pale et pour amener la résultante de la réaction de la poussée et des forces oentrifuges agissant sur les paliers des pivots d'ancrage des pales, ou sur la partie entrant en prise aveo le moyeu, dans le régime de vol le plus fréquent et continu,
aussi près que possible du centre desdits paliers. L'axe de gravité est déporté vers l'avant, par rapport au plan de rotation de l'axe du pivot, de façon à éliminer sensiblement les efforts des moments de flexion dûs à la poussée. Cet axe est aussi déporté de façon que l'axe de pivotement de la pale soit décalé en arrière par rapport au sens de rotation de l'hélice, afin de supprimer à peu près complètement les efforts résultant des moments fléohissants dûs à la composante de la résistance de l'air opposée à la rotation de la pale.
Si cela est nécessaire, on peut
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modifier ce tracé déporté des centres de gravité pour établir entre les sections en forme d'aile et l'axe de pivotement la relation voulue pour obtenir les moments de masses et qérodynamiques désirés à l'aide de la section d'aile utilisée.
La suppression pratique des efforts de flexion tend à éviter la torsion et le fouettement indésirables de la pale qui interviennent lorsque l'hélice travaille à des vitesses élevées sous l'influence des impulsions de commande. Elle est aussi très favorable à une charge uniforme des paliers et à une grande durée de ceux-ci, outre qu'elle diminue la fatigue de la matière dont est faite la pale en prolongeant sa durée.
LA MASSE REGLABLE
Une hélice établie conformément à l'invention peut aussi exiger l'application de masses assujetties de façon réglable aux pales, de préférence à leurs portions de racine, comme on l'a représenté sur la figure 3. Le rôle de ces masses est double.
En premier lieu, elles servent à régler la distribution des masses de la pale pour engendrer par la force centrifuge le couple désiré destiné à coopérer avec les moments aérodynamiques de façon à régler le pas des pales comme il sera décrit ci-après avec plus de détail ; second lieu, leur rôle est de diminuer dans la plus grande mesure possible les forces d'inertie non équilibrées nettes qui, sous l'action des impulsions du moteur, donneraient naissance à des couples alternatifs tendant à faire osciller la pale autour de son axe de pivotement et à faire ainsi varier le pas et les valeurs de la poussée, ce qui nuirait à l'efficacité d'action et à la durée de la pale.
Il est bien connu qu'on peut neutraliser ou équilibrer et stabiliser la tendance à l'app;atissemen du pas en distribuant convenablement des masses de ce genre de façon à corriger l'équilibre dynamique de la pale. Si une pale d'hélice était oonstruite de façon que son axe de gravité soit situé dans le plan
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de rotation de son axe de pivotement, les impulsions du moteur ne provoqueraient pas de couples alternatifs mais, aussitôt qu'on ajoute une masse réglable, que ce soit à l'avant ou à l'arrière dudit plan de rotation, les couples alternatifs dûs aux impulsions susmentionnées du moteur font leur apparition.
Toutefois si, comme décrit plus haut, une pale d'hélice possède un axe de gravité qui est décalé en avant par rapport au plan de rotation, un état de déséquilibre dynamique se trouve créé, et l'on peut remédier en tout ou en partie à cet état en situant convenablement les masses réglables supplémentaires.
On verra, par les explications qui suivent, que ces masses réglables peuvent à volonté être placées à l'avant ou à l' arrière du plan de rotation. Toutefois, s'il existe un état de déséquilibre dynamique, il est préférable que ces masses soient situées sur celui des cotés du plan de rotation où leur effet est de diminuer ou de supprimer les couples dûs aux impulsions du moteur. Si le fait de placer une masse réglable de ce genre entièrement d'un même côté du plan de rotation a pour effet d' engendrer des couples dans le sens opposé, ceci montre qu'il conviendrait de diviser cette masse et de la distribuer des deux côtés dudit plan conformément à la figure 3.
On peut déterminer la valeur que doit posséder une masse de ce genre pour équilibrer les couples dûs aux impulsions en calculant les produits d'inertie de la pale de l'hélice par rapport à son axe de rotation et à l'axe de l'arbre de commande. Par exemple, si le centre de gravité d'une pale pesant 10 kg est situé à 0,75 m du centre de l'hélice, et si ce centre de gravité est situé à 0,025 m en avant du plan de rotation, le produit d'inertie sera approximativement 10 x 0,75 x 0,025 = 0,1875.
Si l'on envisage l'utilisation d'une masse réglable de 2,5 kg pour contrecarrer la tendance à la diminution du pas des pales ou (et) ses moments aérodynamiques, cette masse étant située à une distance de 0,25 m
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de l'axe de l'arbre de commando et à une distance de 0,15 m de l'axe de pivotement de la pale, on voit qu'elle donnera un pro- duit d'inertie de 2,5 x 0,25 x 0,15 =,0,0937 et que le fait de placer une telle masse du même côté du plan de rotation que la pale aggraverait grandement les couples d'inertie résultant des impulsions du moteur, alors que, si cette masse était placée de l'autre o8té du plan de rotation, la grandeur de ces cou- ples alternatifs serait diminuée de 50 %.
Comme on l'a repré- senté sur la figure 3, chacune des masses est composée de deux sections 11 qui sont fixées l'une à l'autre autour de la douil- le par des boulons 13 et qui sont protégées oontre l'action des forces oentrifuges agissant dans la direction de l'axe de pivo- tement des pales par des épaulements 15,
Les pales sont accouplées élastiquement à l'arbre 8 par un moyeu approprié, tel que celui représenté sur les figures 5 et 6.
EQUILIBRE DE POUSSEES INEGALES
En se référant à la figure 4, la neutralisation du couple occasionné par une poussée inégale des pales de l'hélice sera expliquée comme suit :
L'axe S - S représente l'axe de l'arbre de commande de l'hélice; t1 et t2 représentent la portion égale des poussées de l'air sur les pales 1 et 2, respectivement, laquelle portion est équilibrée par la force t exercée par l'arbre sur le moyeu ; t3 représente l'excès de poussée de l'air sur la pale 1, qui est transmis au moyeu par la pale et équilibré par une force t4 transmise de l'arbre de commande à l'hélice;t3 et t4 donnent un couple t3y agissant dans le sens dextrogyre, lequel couple provoque le déplacement angulaire de l'hélice par rapport au plan de rotation r - r.
Les forces centrifuges égales agissant sur les pales sont représentées par o. Ces forces engendrent ex un couple/qui agit dans le sens lévogyre et qui, par conséquent,
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est opposé au couple de poussée t3y Etant donné que, pour les petits déplacements des pales par rapport au plan de rotation, la liaison du moyeu n'offre pratiquement aucune résistance à ces déplacements, il découle des lois bien connues de la méca- nique que le déplacement est juste suffisant pour satisfaire à la condition d'équilibre représentée par l'équation t3y = cx, et que l'angle de déplacement ou d'inclinaison sera tg - lx .
2y Cet angle sera très petit pour tous les cas de faible inégali- té de la poussée parce que la valeur de c sera plusieurs oen- taines de fois celle de t3.
La présente hélice fonctionnera d'une façon régulière quelles que soient les inégalités de poussée entre les diverses pales, étant donné que des moyens ont été prévus pour équili- brer les moments de poussée inégaux des pales par des forces centrifuges équilibrées. Cependant, si l'on désirait obtenir une trajectoire correcte des pales, on pourrait supprimer toute inégalité de poussée en utilisant des moyens pour effectuer une différenciation entre les pales pendant qu'elles tournent à une vitesse élevée au sol ou en cours de vol et pour déterminer et corriger le degré existant d'inégalité de poussée desdites pa- les. Tout dispositif indicateur approprié peut être utilisé.
Par exemple, on peut munir l'une quelconque des pales, ou tou- tes, de marques d'identification, par exemple de marques de différentes couleurs, qui sont faciles à observer et grâce aux- quelles la ou-les pales particulières possédant le maximum de poussée peuvent être distinguées. Si l'on connaît celle ou cel- les des pales qui présentent la plus grande poussée, on pourra effectuer une correction en faisant varier le pas de la pale.
Comme on l'a représenté au sujet d'une pale pivotante, on effec- tue le réglage angulaire de la masse auxiliaire par rapport à une pale aveo une grande précision à l'aide d'une échelle à ver- nier telle que celle représentée sur la figure 3.
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FIXATION DES PALES PIVOTANTES :
Une pale qui pivote dans un moyeu en vue du réglage de son pas exige des paliers capables, non seulement de supporter la force centrifuge radiale de la pale, mais aussi un autre groupe de forces qui résultent de l'accélération angulaire de la pale par le moteur, ainsi que d'un troisième groupe de forces qui résultent de l'effet de volant de la pale lequel effet intervient lorsque la pale restitue de l'énergie au moteur par le moyeu. Pour réduire au minimum le frottement qui serait très grand dans le cas de coussinets lisses ordinaires, des roulements à billes 78 et 80 sont prévus pour chaque pale.
Ces roulements sont intercalés entre la butée 82 de la douille de retenue taraudée 74 et l'épaulement 84 formé dans le boîtier et entre un écrou de retenue extérieur 86 et un éorou de retenue Intérieur 88 qui servent à assujettir convenablement les pales dans leurs boîtiers.
La pale et la douille 74 ( figure 5 ) présentent une creusure en forme de segment 89 dont l'épaulement extrême 90 ( figure 8 ) entre en contact avec un des côtés d'une butée 92 ( figure 8 ) lorsque la pale est disposée suivant l'angle de pas désiré pour l'état statique. Dans la position de marche avec le moteur arrêté, l'épaulement extrême 91 de la creusure 89 est en contact avec le côté opposé de cette butée. Une butée analogue 92 est disposée de manière analogue dans l'autre boîtier de pale. Ces deux butées sont fixées au fond des boîtiers par des vis 96.
A la mise en marche du moteur, la force centrifuge de la pale peut être considérée comme faible et être négligée. Le rôle le plus important du montage des pales est alors de transmettre l'accélération de l'arbre du moteur à la pale par l'intermédiaire du moyeu. Comme la pale tend à rester en arrière, elle tend à s'incliner dans le moyeu, et les paliers sont dis-
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posés de façon à résister à la tendance de la pale à s'incliner avec des charges minima. Pendant le stade du fonctionnement pendant lequel la pale restitue de l'énergie au moteur, une action analogue a lieu, mais la pale a tendance à s'incliner en sens inverse dans le moyeu.
En fait, l'entraînement de l'hélice montée sur un moteur du type à explosion peut tre considéré comme consistant en une suite de pulsations pendant un stade desquelles le moteur entraine les pales et pendant l'autre stade desquelles les pales entraînent le moteur. Ces pulsations ont un effet nuisible sur les pièces accouplant le moyeu et la pale, et ces pièces doivent être établies de façon à résister aux forces alternatives de ces impulsions sans qu'il se produise de jeux et de chocs et sans que les efforts auxquels sont soumis les éléments dépassent des valeurs admissibles.
Lorsque le moteur fonotionne normalement, c'est-à-dire à une vitesse qui est habituellement oelle du vol normal, la force centrifuge devient la force prédominante qui agit sur l'accouplement entre la pale et le moyeu, étant donné que l'intensité de la force centrifuge devient plusieurs fois celle des forces d'impulsion et de recul. Ces dernières forces ont alors pour effet de soumettre la force centrifuge à des incréments positifs et négatifs sans inverser son sens d'action, de sorte qu'un élément de palier quelconque, tel que le roulement à billes extérieur de la construction représentée, prévu uniquement dans le but de résister aux impulsions de torsion qui interviennent aux faibles vitesses pendant la période d'accélération, n'a plus à supporter aucun effort lorsque l'hélice tourne à grande vitesse.
Une garniture de feutre 97 est prévue pour retenir le lubrifiant des roulements et en exclure les matières étrangères.
Cette garniture est maintenue en place par une rondelle 99, elle-même maintenue en place, malgré l'action de la foroe oen-
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trifuge, par des saillies de manoeuvre de l'anneau de retenue 86 du roulement extérieur. Les anneaux de retenue 86 sont verrouillés à l'aide de olavettes 100.
COMPARAISON DE TYPES D'HELICES :
Dans la oonstruotion des hélices de tous types destinés à l'aéronautique, il faut faire entrer en ligne de oompte les limitations et les exigences tant du moteur que de l'avion.
Pour pouvoir tirer du moteur toute la force motrice qu'il développe, il faut que ce dernier ait la possibilité de tourner au nombre de tours maximum admissible pour toutes les conditions de vol. La vitesse admissible est constante au cours d'une lon- gue période de temps ; que l'avion monte, ou pendant qu' il avance au maximum de vitesse, avec l'étrangleur des gaz complètement ouvert, il existe un taux de rotation déterminé qui est admissible et qui ne doit pas être dépassé. En fait, les limitations de ce genre sont déterminées par des règlements concernant la navigabilité de l'aéronef.
Toutefois, les moteurs d'avion ont la possibilité de dépasser le taux de rotation susmentionné pendant de courts intervalles de temps, à l'envol et au début d'une montée, en vue d'augmenter l'altitude qu'il est possible d'obtenir sur une distance d'envol donnée. Cette pratique augmente la sécurité du vol, pourvu que ce taux de rotation élevé ne soit pas maintenu pendant un temps suffisamment long pour provoquer l'échauffement exagéré du moteur.
Sur les figures 9, 10 et 11, le fonctionnement de trois différents types d'hélices a été représenté par des diagrammes établis par rapport à deux axes de ooordonnée à angle droit, l'axe vertioal V représentant les vitesses de l'hélice vers 1' avant ( déterminées par la vitesse d'air relative de l'avion propulsé hors du courant de glissement ) et l'axe horizontal, désigné par Ò nd représentant la vitesse périphérique de la section moyenne de la pale.
Sur ces trois figures les courbes
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désignées par r représentent le nombre de tours désiré du mo- teur, avec le papillon grand ouvert, en tous les points de 1' échelle entière des vitesses d'avancement, et l'on remarquera que ces courbes indiquent un nombre de tours constant du mo- teur, sauf pour les faibles valeurs de la vitesse d'avancement dans le cas desquelles un accroissement du nombre de tours est admissible, un accroissement correspondant de la vitesse péri- phérique de la section de pale moyenne ayant par conséquent été représenté.
En vue du fonctionnement le plus efficace, l'avion exige que, à toutes les vitesses d'avancement, l'hélice fournisse le maximum de poussée possible. Le fonctionnement de l'avion sera en outre amélioré si, lors d'un arrêt du moteur, l'hélice se place pendant le vol dans une position où elle n'offre que le minimum de résistance à l'avancement.
Dans l'explication qui suit, on a utilisé trois termes qui doivent être définis clairement.
Le premier de ces termes est " l'angle d'attaque " de la pale. On entend par là l'angle suivant lequel la section moyen- ne de la pale rencontre l'air à travers lequel elle passe.
Le second terme est " l'angle hélicoïdal " qui est l'an- gle de la trajectoire hélicoïdale suivie par la même section représentative ou moyenne de la pale par rapport au plan per- pendiculaire à l'axe de l'hélice ( géométrique ) qui coïncide avec l'axe de rotation de l'hélice. Cet angle est une fonction du nombre de tours du moteur et de la vitesse d'avancement.
Pour tout cas particulier, on peut le déterminer par la formule OCh = tg - 1 ( v ) dans laquelle v représente la vitesse Ònd d'avancement en mètres par seconde, n le nombre de tours du moteur par seconde, d le diamètre, en mètres, de l'hélice ( géo- métrique ) déorite par la seotion de pale moyenne et Ò la oon- stante 3,1416. L'angle hélicoïdal s'annule lorsqu'on fait tra-
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vailler l'hélice sur un avion immobilisé, à l'état dit " sta- tique ", cet angle devient égal à 90 lorsque l'hélice est im- mobile et que l'avion se meut, comme dans le vol moteur arrêté.
Le troisième terme est " le pas " qui est l'angle que fait la corde de la section de pale représentative avec le plan de rotation de l'hélice. Cet angle est égal à la somme de l'an- gle hélicoïdal et de l'angle d'attaque.
On se référera maintenant à la figure 9, qui représente le fonctionnement d'une hélice à pas fixe, la section de pale moyenne étant représentée avec un angle de pas constant. La com- paraison de cet angle avec les angles hélicoïdaux désignés par a, b, c, d, etc.. montre la variation de l'angle d'attaque par rapport à la vitesse d'avancement dans ce type d'hélice. On no- tera que, à l'état statique, l'angle d'attaque est positif et de grandeur considérable, alors que, à mesure que la vitesse d'avancement augmente progressivement, en donnant les angles hélicoïdaux représentés par les lignes b, c et d, l'angle d'at- taque diminue graduellement et devient nettement négatif en d.
Finalement, dans la position e représentant l'état d'un avion qui se meut avec un moteur arrêté, l'hélice possède un angle d'attaque fortement négatif qui provoque une grande résistance par l'air. L'effet de ces variations de l'angle d'attaque sur le nombre de tours du moteur sera expliqué ci-après.
Etant donné que l'avion est appelé à fonctionner d'une manière prédominante à une certaine vitesse de vol, les hélices à pas fixe sont calculées de façon qu'elles travaillent de la manière la plus efficace à ce régime de vol bien que ceci en- traîne une certaine perte de rendement à tous les autres régi- mes de vol. Sur la figure 9, l'état de construction oorrespon- dant à ce régime est représenté par la lettre o. La ligne r représente toutes les valeurs de Ònd par rapport aux vitesses d'avancement avec le papillon grand ouvert. Ces valeurs de Ònd
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sont proportionnelles aux vitesses de rotation de l'hélice, étant donné que le diamètre est constant et que Ò est égal à 3,1416.
Il est bien connu que, à l'état statique et aux faibles valeurs de la vitesse d'avancement, l'angle d'attaque des hélices à pas fixe est trop grand pour permettre aux moteurs de tourner à leur vitesse admissible, alors que, pour des vitesses supérieures à celles correspondant à l'état de construction, l'angle d'attaque est trop faible pour absorber la puissance entière du moteur sans dépasser la vitesse de rotation admissible, comme cela est démontré par ce diagramme, Par conséquent, avec les hélices à pas fixe on ne peut utiliser efficacement la pleine puissance du moteur qu'à une vitesse d'avancement déterminée et, par conséquent, la poussée obtenue à l'aide de ce type d'hélice à toutes les autres valeurs de la vitesse d'avancement n'est pas aussi grande qu'elle pourrait l'être.
On se référera maintenant à la figure 10, qui représente schématiquement le fonctionnement d'une hélice dont la pale est composée d'une aile à pivot stable et de masses distribuées de façon qu'elles ne donnent pas de moments centrifuges résultants.
Les forces aérodynamiques seules gouvernent l'angle d'attaque de la pale et, comme celle-ci est stable, son angle d'attaque conservera une valeur déterminée pour toutes les vitesses d'avancement. La pale variera automatiquement de pas de façon à conserver un angle d'attaque constant, quel que soit l'angle hélicoïdal de la section de pale moyenne.
Si une hélice de ce genre est construite de façon à absorber efficacement la puis- sance développée par un moteur avec le même groupe de conditions de travail, comme indiqué par la lettre o sur cette figure de même que sur la figure 9, cette hélice offrira une trop faible résistance à la rotation à l'état statique et dans les conditions de faible vitesse d'avanoement et permettra au moteur d' excéder le nombre de tours admissible, comme indiqué par la
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ligne f de la figure 10. Il sera par conséquent nécessaire d'étrangler les gaz du moteur comportant une telle hélice aux vitesses d'avancement inférieures, et il en résulte que la poussée dont on disposera pour l'accélération et l'envol sera moindre que dans le type de l'hélice à pas fixe.
Pour des valeurs de la vitesse d'avancement supérieures à oelles correspondant à l'état de construction, les angles d'attaque seront trop grands et empêoheront le moteur d'atteindre le nombre de tours admissible maximum, de sorte qu'on ne pourra pas tirer parti de toute la puissance développée et qu'on n'obtiendra pas une poussée maximum. Toutefois, pendant le vol, cette hélice n'atteindra jamais un état d'angle d'attaque négatif et continuera à exercer une poussée aux vitesses d'avancement très élevées.
La tendance de ce type d'hélice à une vitesse excessive aux faibles valeurs de la vitesse d'avancement peut être contrecarrée dans toute mesure désirée, et d'une façon déterminable à l'avance, en disposant convenablement les butées 92 des figures 5 à 8, de façon que le pas ne puisse pas être réduit audessous d'une valeur prédéterminée par les moments aérodynamiques. La même butée peut coopérer avec un évidement ménagé à la racine de la pale, comme indiqué en 89 sur la figure 8, pour .limiter l'angle de pas à toute valeur désirée pour la position de marche avec le moteur arrêté, afin d'empêcher l'hélice de faire tourner le moteur en arrière et de réduire au minimum la résistance à l'avancement.
Référant maintenant à la figure 11, dans laquelle le fonotionnement d'une hélice établie selon un autre mode de réalisation de l'invention a été représenté schématiquement, un état de fonctionnement est montré dans lequel la section moyenne de l'hélice possède des angles d'attaque qui permettent au moteur de tourner à la vitesse maximum admissible en tous les points de l'échelle des vitesses d'avancement, comme représenté par
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la ligne fr de cette figure.
On réalise cet état, comme il se- ra expliqué ci-après en détail, en combinant les moments d'une pale pivotante sensiblement stable ayant des caractéristiques aérodynamiques analogues à celles représentées par la figure 10 avec les moments centrifuges de masses convenablement dis- tribuées de la pale autour de son axe de pivotement et avec ceux de masses auxiliaires assujetties sur elle, si cela est nécessaire. La grandeur et la disposition de ces diverses mas- ses sont telles qu'on obtient des moments qui augmentent l'an- gle d'attaque pour la région de l'état statique et des faibles valeurs de la vitesse d'avancement et lui permettent de diminu- er pour les valeurs élevées de cette vitesse.
Ces moments de masses engendrés par la force centrifuge disparaissent lorsque le moteur cesse de tourner, et la pale pivotante se place dans la position de résistance minimum. On peut contribuer à assurer cette mise en position par l'application d'une butée appropriée, telle que celle précédemment décrite, qui limite la position angulaire de l'hélice à l'angle auquel la section d'aile offre le minimum de résistance à la vitesse d'avancement. Un disposi- tif auxiliaire de oonstruction bien connue, tel qu'une pale d'hélice ( non représentée ) peut aussi être prévu pour régler la position angulaire de résistance minimum de la pale et em- pêcher tout effet possible de rotation ou de moulin à vent.
Une autre butée peut aussi être utilisée pour limiter l'angle statique d'attaque/à toute valeur désirée.
La figure 12 est un diagramme dans lequel les caractéris- tiques de poussée relatives des trois types d'hélices décrits dans les figures 9, 10 et 11 sont représentées. Dans ce diagram- me, les ordonnées " t Il représentent la poussée qu'on peut ob- tenir par rapport à la vitesse d'avancement " v " portée en abscisses. La lettre o représente l'état de construction commun aux trois hélices. La courbe s représente la poussée obtenue
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aveo une hélice du type à pas fixe.
La courbe m représente la poussée qu'on peut obtenir avec une hélice oomportant une pale à montage pivotant stable dans laquelle les masses sont distribuées de telle sorte que les oouples dûs aux moments oentrifuges sont nuls ou approximativement nuls, ce qui maintient un angle d'attaque oonstant par rapport aux filets d'air relatifs.
La courbe i représente la poussée relative d'une hélice dont l'angle d'attaque est régi par des moments centrifuges en équilibre aveo des moments aérodynamiques. Il est évident que ce type d'hélice, qui permet le développement de la puissanoe maximum du moteur à toutes les valeurs de la vitesse d'avancement et dont les sections de pale sont maintenues sous des angles efficaces en tous les points de l'échelle des vitesses d'avancement, doit fournir le maximum de poussée dans toutes les oonditions compatibles avec les limitations du moteur.
ACTION DES FORCES DYNAMIQUES SUR LES PALES DE L'HELICE :
Il est bien connu, dans l'art de la construction des hélices, que les masses tournant autour d'un axe ont tendance à se placer aussi loin que possible de cet axe que le permettent leurs liaisons avec lui. Ceci est le résultat de l'action des forces centrifuges agissant sur ces masses dans une direction radiale. Il s'ensuit que des parties qui sont assemblées de façon pivotante à angle droit et qui interseotent l'axe de rotation engendrent des moments de torsion autour de l'axe de pivotement.
Ces moments sont proportionnels au carré de la distance normale qui sépare la pièce envisagée de l'axe de pivotement et sont fonotion de l'angle de déplacement, par rapport au plan de rotation, de la ligne normale reliant le centre de la masse de la pièce envisagée à l'axe de pivotement.
Cette fonction angulaire est le produit du sinus et du cosinus de l'angle que ladite ligne normale fait aveo le plan de rotation. Il y a lieu de noter que cette fonction se répète deux
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fois sur 360 , ce qui indique que, pour une pièce quelconque, il existe deux positions qui donnent des moments centrifuges identiques autour de l'axe de pivotement, l'une étant située en avant du plan de rotation, l'autre en arrière et diamétralement opposée à la première. La détermination des moments de torsion d'une pale d'hélice autour de son axe de pivotement s'effectue d'ordinaire d'avance en divisant la pale en éléments suffisamment petits et en intégrant les effets de torsion.
L'expression mathématique de cette intégration des moments de torsion est :
T = . dm w2 r2 oos oc sin oc dans laquelle T représente le moment de torsion de la pale en kilogrammètres, dm un petit élément de masse de la pale en unités de masse, r la distance normale du petit élément dm à l'axe de pivotement, w la vitesse angulaire de rotation de la pale autour de l'axe de rotation de l'hélice et oc l'angle que fait ladite distance normale avec le plan de rotation, le symbole "¼" indiquant qu'on effectue la sommation des effets de tous les éléments de la pale. On répète cette intégration avec la pale dans plusieurs positions par rapport au plan de rotation pour déterminer la valeur maximum qui indique la position angulaire du " contrepoids équivalent " de la pale par rapport à la section de pale moyenne.
Il est alors facile de déterminer le rayon d'action de ce contrepoids équivalent. On modifiera les propriétés de ce contrepoids équivalent à volonté et lorsque le besoin s'en fera sentir par l'addition de masses convenables placées à des distances et sous des orientations oonvenables, ces masses étant de préférence assujetties à la racine de la pale aussi près que possible du centre de rotation de 1' hélice. De préférence, on règle ces masses auxiliaires reliées à la pale de l'hélice de façon à permettre de régler l'angle d'attaque des pales.
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ACTION DES FORCES DTBANUQYES ET AERODYNAMIQUES SUR LES PALES D'HELICE:
Pour faire comprendre le principe de l'équilibre et de la stabilité de l'hélice oonformément à l'invention et la fa- çon d'établir cette hélice, on donnera la description qui suit en se référant aux figures 13, 14 et 15.
La figure 13 représente sohématiquement les moments de torsion qui interviennent quand on fait tourner des masses pivotantes hors du plan de rotation de l'axe de pivotement, ou de contrepoids équivalents, par rapport à l'angle que fait le rayon d'action, ou axe majeur, avec le plan de rotation, les moments de torsion t étant portés en ordonnées et les angles a en abscisses.
Les signes choisis conventionnellement sont " en haut Il et " + " pour les moments lévogyres des ordonnées et " à droite et " + " pour les angles lévogyres, en commençant avec l'horizontale correspondant à zéro pour les abscisses,, La valeur zéro afférente aux abscisses représente le cas où le contrepoids équivalent est situé dans le plan de rotation de l'hélice. Les courbes a, b et c représentent les moments de trois contrepoids de différentes valeurs à choisir, la différence des valeurs correspondant aux variations de masse, de longueur de rayon, de vitesse angulaire ou de toutes combinaisons de ces faoteurs. Le déplacement de 45 degrés dans le sens lévogyre et celui de 15 degrés dans le sens dextrogyre à partir de l'horizontale sont représentés comme suffisants pour l'explication qui suit.
Les courbes a et b peuvent être considérées comme représentant les moments de torsion d'un " contrepoids équivalent " donné pour deux vitesses de rotation différentes, et la courbe d qui relie le point e de la courbe b au point f de la courbe a est destinée à représenter les moments de torsion d'un certain contrepoids équivalent soumis à des vitesses de rotation
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qui varient graduellement/de la valeur pour laquelle est tracée la courbe b à une valeur inférieure pour laquelle est tracée la courbe a, pendant que le déplacement angulaire du rayon du contrepoids équivalent passe de - 20 degrés à - 12 degrés.
La variation du taux de rotation correspond au changement de taux qu'on désire dans une hélice entre l'état statique et le régime de grandes vitesses d'avancement, alors que la variation du déplacement angulaire correspond à la variation du pas désiré pour la pale. Si l'on désirait considérer uniquement une hélice établie pour une vitesse de rotation constante en tous les points de l'échelle de travail, une courbe unique telle que b suffirait et la courbe d serait inutile.
La figure 14 représente les moments de torsion aérodynamiques d'une pale d'hélice à pivotement stable représentée par la courbe g - g. Les moments sont portés en ordonnées de la même façon que dans la figure 13. L'axe des abscisses est suffisant pour montrer toutes les valeurs de l'angle d'attaque utilisées par une pale d'hélice dans toutes ses conditions de travail.
Il y a lieu de noter que les moments ainsi représentés donnent l'équilibre pour la valeur négative de l'angle dtatta- que au voisinage de - 4 degrés, alors que, dans l'échelle des angles d'attaque positifs, les moments aérodynamiques indiquent la tendance de la section d'aile à réduire son angle d'attaque à la valeur d'équilibre qui vient d'être mentionnée, c'est-àdire l'angle d'attaque auquel la pale offre le minimum de résistance à l'air lorsque le moteur est arrêté. Sur la courbe g - g on a indiqué les points particuliers h et s qui aorres- pondent aux angles d'attaque de 2 et 14 degrés, qui représentent les angles auxquels la section moyenne ou de base de la pale doit travailler aux vitesses élevées et à l'état statique, respectivement.
Ces angles dattaque ont préalablement été déterminés par les méthodes habituelles de construction des hé-
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lices comme étant ceux qui absorbent la puissance du moteur, à la vitesse de rotation désirée, aveo le diamètre d'hélice choisi.
La figure 15 représente la combinaison des moments aérodynamiques et centrifuges qui équilibrent et stabilisent la pale au pas désira en tous les points de l'échelle des vitesses d'avancement et aux vitesses de rotation désirées. Sur cette figure, les axes de coordonnées, les conventions de signes et la courbe g - g sont les mêmes que dans la figure 14, mais, sur la figure 15, on a ajouté au-dessus de chacun des points h et deux courtes portions de courbe, les deux courbes supérieures i - jet m - n représentant des moments de @ contrepoids équivalent " tirés directement de la courbe d de la figure 13 et couvrant une zone de variation de pas de 2 degrés autour des points s et h, respectivement.
Les portions de courbe k - k et 1 - 1 représentent les moments combinés de contrepoids et aérodynamiques obtenus par l'addition géométrique des portions i j et m - n à la courbe g - g.
On supposera maintenant qu'une hélice munie de pales pivotantes établies conformément à l'invention possède une seotion de pale moyenne à une distanoe de 1,05 m. du centre et des moments de contrepoids et aérodynamiques équivalents, comme on l'a représenté sur les figures 13 et 14, On supposera en outre qu'on désire faire travailler l'hélice à un état statique à une vitesse de rotation de 2200 tours par minute et aveo un angle d'attaque de 14 degrés pour la section moyenne, et qu'on désire faire tourner la même hélice à 2000 tours par minute avec un angle d'attaque de 2 degrés lorsque la vitesse dtavan- cement est de 90 mètres par seconde et que l'angle hélicoïdal est de 20 degrés.
A l'état statique, auquel cas l'angle d'hélice est 0 , le pas doit être de 14 et, au régime d'avancement de 90 mètres par seconde, l'angle hélicoïdal est de 20 degrés
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et le pas doit être de 22 degrés.
Les courbes a et b ont déjà été choisies avec le rapport convenable des ordonnées pour représenter les moments de torsion d'un contrepoids équivalent donné à 2000 et 2200 tours par minute, respectivement. Comme le rapport des carrés des vitesses de rotation des pales est 0,84, les ordonnées de la courbe a sont dans ce rapport avec celles de la courbe b. Les pentes des courbes a et b ont en outre été choisies telles que leurs hauteurs e et f correspondent à un déplacement angulaire de 8 degrés, égal à la variation de pas désiré. Les points e et f de la figure 13 sont transférés à la figure 15 au-dessus des angles d'attaque correspondant respeotivement à l'état statique et aux vitesses élevées. On voit par suite que les moments sont en équilibre aux deux régimes, c'est-à-dire que moment f = moment h et moment e = moment s.
La stabilité aux deux régimes est démontrée comme suit. Si l'on considère le point n de la figure 15, on supposera que quelque cause extérieure diminue momentanément l'angle d'attaque de la pale d'un degré, cet angle étant ainsi réduit à un degré. Avec le nez de l'aile tourné vers la droite, comme il a été convenu par les signes, ceci est une rotation dextrogyre, qui augmente de - 12 à - 13 degrés l' écart du contrepoids équivalent et qui, par conséquent, fait que le moment représenté par le point f s'élève à la valeur représentée par le point m. On supposera maintenant qu'il s'effectue une perturbation de même amplitude en sens inverse. Le même procédé montre que le moment représenté par f tombe à la valeur correspondant à 11 degrés sur la figure 13 et au point n de la figure 15.
Si l'on combine maintenant la courbe m - f - n aveo la portion de la courbe des moments aérodynamiques situés immédiatement au-dessous, on obtient une portion de courbe k - k qui possède une pente indiquant une forte stabilité, Une méthode de combinaison semblable effectuée d'avance au point représentant
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l'état statique donne la portion de courbe 1-1, qui indique aussi une forte stabilité positive. De la même manière, on peut montrer que, pour tout angle d'attaque compris entre 2 et 14 degrés, la pale de l'hélice est stable, si la vitesse de 1' avion et la position du papillon ont été stabilisées.
Lorsque les valeurs requises du " oontrepois équivalent " et sa position ont été déterminées, il faut donner cette valeur à la pale, dans la pratique, à l'aide de l'un quelconque des dispositifs mentionnés précédemment, tels que l'application de masses supplémentaires réglables, de variations de l'inclinaison de l'axe de gravité ou de variations de la distribution des masses de la pale elle-même.
La courbe g - g des moments aérodynamiques peut intersec- ter l'axe des abscisses en tout point donné autre que - 4 degrés et peut avoir toute autre inclinaison. D'une façon oorres- pondante, les points e et f peuvent être amenés à des points correspondant à des valeurs positives de la rotation angulaire par rapport au plan de rotation de la figure 13, et l'hélice fonctionnera d'une façon satisfaisante, pourvu que les effets combinés des moments aérodynamiques et des moments des forces centrifuges assurent la stabilité.
Il est bien entendu que l'invention ne doit pas être considérée comme limitée aux dispositifs et aux applications décrits et représentés étant donné qutelle est susceptible de recevoir d'autres modes de réalisation et un grand nombre de modifications sans s'écarter de son esprit.
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