La turbine Francis, unique et multiple
Article rédigé par François Romiée. - Janvier 2026 - Reproduction interdite sans l'accord écrit de l'AMA01.
(Merci de vous reporter aux illustrations en fin d’article)
Une proportion considérable de moulins recèle une petite turbine, endormie ou bien en service. On y trouvera logiquement beaucoup de turbines de type Fontaine, puisque ces turbines qui tournaient lentement en développant un couple* important, étaient parfaitement adaptées à l’exploitation de chutes minimes (parfois moins de 1m) pour faire tourner des meules.
Mais on y trouve un nombre étonnant de petites turbines Francis.
Aujourd’hui l’offre de turbines Francis de petite puissance destinées aux basses chutes est quasi inexistante car on les destine principalement aux installations de haute chute.
Alors comment expliquer que ces turbines soient aussi nombreuses dans nos petites installations ?
1) La turbine Francis est une pionnière.
L’inventeur de la turbine Francis, s’appelait -sans surprise- James Francis. Né en 1815 en Angleterre, puis émigré aux Etats Unis à l’âge de 18 ans, il devient un brillant ingénieur hydraulicien. Il concentrera ses efforts sur l’amélioration de la turbine inventée par le français Benoît Fourneyron, à qui les hydro-électriciens sont également redevables de la conduite forcée.
Il en résultera la turbine qui porte son nom, et une somme de travaux scientifiques de très grande qualité qui constitueront le socle de l’approche scientifique des turbines.
C’est en 1850 que sa turbine est prête à être industrialisée, c’est-à-dire bien avant les machines de ses futurs concurrents Pelton (1880), Michell (concepteur de la turbine Banki, 1903) et Kaplan (1912).
C’est ainsi que les plus entreprenants des meuniers, à la recherche de machines plus rapides, moins lourdes et avec un meilleur rendement que les roues, principalement pour la production d’électricité, n’avaient finalement pas beaucoup de choix.
Précisons qu’un nombre important de meuniers se sont intéressés à l’électricité non pas pour diversifier leur activité, mais pour mieux exploiter le potentiel énergétique de leur moulin. En produisant de l’électricité, il devenait possible d’animer les machines du moulin avec des moteurs électriques, ce qui représentait un progrès considérable puisque le rendement d’une turbine tourne autour de 80% quand les meilleures roues culminaient à 20%.
Il serait cependant injuste et ridicule de limiter le succès de la Francis au fait qu’elle soit seule sur son marché. D’ailleurs les petites Francis ont continué à prospérer bien après l’apparition des autres types de turbines.
*couple : force donnée au mouvement rotatif de l’arbre. La puissance est le produit du couple et de la vitesse. Pour une puissance donnée, une turbine lente aura beaucoup de couple, une turbine rapide en aura moins.
2) La turbine Francis est simple et efficace
La turbine Francis, comme nous le verrons plus tard, comporte un nombre incroyable de variantes, mais la base commune est bien la forme caractéristique de la roue. (voir illustration 1 et 2)
Cette forme exige une grande précision dans le calcul, et la forme complexe des aubes réclament une exécution de précision et un équilibrage minutieux.
En revanche, la turbine Francis est simplement cette roue qui tourne autour d’un axe. Aucune pièce mobile sur la roue elle-même, contrairement à la Kaplan, un distributeur (dispositif qui régule le débit admis dans la turbine) relativement simple, et le reste de la machine constitué de pièces fixes en bonne fonte. C’est ce qui explique les longévités exceptionnelles régulièrement observées : il est facile de trouver des turbines en service depuis 100 ans, et parfois beaucoup plus.
Cette robustesse et leur simplicité d’entretien explique également leur succès durable et leur pérennité dans les moulins : on ne change pas une machine qui marche.
3) Des Francis à l’infini
Le fait qu’on retrouve des Francis dans nos moulins s’explique aussi par leur phénoménale adaptabilité à quasi toutes les conditions d’exploitation. Il existe des déclinaisons multiples, que sans avoir la prétention d’être exhaustif, nous pouvons essayer de classer sommairement
- En chambre d’eau, ou sous bâche
Deux configurations peuvent s’observer. La configuration en chambre d’eau est très largement majoritaire dans les moulins car elle est réservée aux faibles chutes. La turbine est immergée dans la chambre d’eau, plus ou moins cubique, le distributeur et une partie de son système de commande sont également sous l’eau. L’eau ne peut sortir de la chambre qu’en passant par la turbine. L’eau est guidée vars le canal de fuite par un tuyau légèrement évasé, l’aspirateur.
Ce terme aspirateur (on dit aussi diffuseur) est lié au fait que la Francis est une turbine à réaction, c’est-à-dire que l’énergie transformée par la roue provient non seulement de la pression exercée par l’eau en amont, mais aussi de l’aspiration créée par la masse d’eau qui sort de la chambre. (voir illustrations 3 et 5)
La deuxième configuration est réservée aux chutes plus importantes, par exemple de 6 ou 7 mètres dans certains moulins, à plusieurs centaines de mètres dans des centrales de moyenne et haute chute : c’est la turbine sous bâche spirale, aussi appelée « huche ».
La turbine est installée au sec, avec son distributeur, l’eau y circule en provenance d’une conduite, puis est dirigée sur la périphérie de la roue par un carénage spécialement étudié, qui affecte la forme d’une spirale. (voir illustration 4)
On trouve également des bâches à section rectangulaires, dites semi-spirales, sur certaines machines. Cette configuration, plus simple à réaliser, permet aussi de simplifier le distributeur, au prix d’une perte de rendement à charge partielle. (voir illustration 7)
Comme le montrent les illustrations 3 et 5, l’axe de la turbine peut être horizontal ou vertical, selon le cahier des charges du site.
La turbine Francis la plus commune dans les moulins est la turbine à axe vertical en chambre d’eau.
– Selon le type de distributeur
Plusieurs systèmes ont été expérimentés pour permettre d’adapter la marche de la turbine au débit disponible. Quelques rares modèles ont un distributeur fixe, c’est à dire que le guidage de l’eau n’est pas réglable. Si aucun système ne permet de régler la quantité d’eau admise, elle fonctionne alors selon deux régimes : ouvert à fond et arrêt.
Ceci ne convient que lorsque la turbine fonctionne toujours à fond (par exemple en cas de sous équipement d’une chute)
Certaines sont équipées d’un système – avec autant de variantes que de constructeurs – désigné le plus souvent sous le nom de « cloche ». Recouvrant plus ou moins les entrées d’eau de la turbine, elle permet dans une certaine mesure les charges intermédiaires, mais le rendement en est très affecté.
Le système le plus courant est appelé distributeur à directrices mobiles, qui ont la double fonction d’orienter l’eau et de contrôler son débit (voir illustration 8)
Parfois, on trouve sur les bâches semi-spirale des systèmes simplifiés, comme sur la « Little Giant » : une vanne obture plus ou moins l’entrée de la bâche. (voir illustration 7)
- Selon le profil de la roue
On peut, pour simplifier, qualifier une roue par deux grandeurs : son diamètre d’entrée et son diamètre de sortie. Il faut retenir qu’une roue Francis peut prendre des formes géométriquement différentes en fonction des deux diamètres évoqués ci-dessus.
Ces différences leur donnent la possibilité d’être installées sous une grande variété de chutes : c’est ainsi qu’on voit des Francis sur des petites chutes de petites rivières et tous les intermédiaires jusqu’au barrage des Trois Gorges en Chine, plus grande installation hydroélectrique du monde.
Soyons bien précis : ce n’est pas de la polyvalence, ce qui signifierait qu’un modèle de roue s’adapterait à toutes situations, mais une très grande souplesse de conception, qui permet de construire une turbine parfaitement adaptée à chaque situation, et même avec des différences majeures.
Les illustrations 1 et 2 donnent une illustration de la vaste échelle de dimensions existantes.
– Simple ou double
Les roues Francis, particulièrement en basse chute perdent en rendement à charge partielle. C’est pourquoi des constructeurs ont eu l’idée d’accoler deux roues, ou de mettre deux roues sur un seul arbre, afin de bénéficier d’un rendement maximal :
Bien souvent la répartition est 1/3 d’un coté, 2/3 de l’autre. Si on imagine une puissance maximale de 30kW, sur une rivière qui présente un débit irrégulier, on se trouvera souvent en charge partielle avec une seule turbine. Et le rendement sera moins bon.
Avec une turbine double 1/3 – 2/3 on a l’équivalent d’une Turbine de 10 kW et d’une turbine de 20kW. Ainsi dès le tiers de la puissance maximale on bénéficiera d’un rendement optimal. (voir illustrations 5 et 6)
La merveilleuse fécondité intellectuelle des inventeurs du XIXème et du début du XXème siècle a trouvé un terrain fertile avec la turbine et les travaux de James Francis.
Les ingénieurs et les scientifiques en ont décortiqué le fonctionnement par le calcul, permettant de fabriquer la turbine exactement adaptée à chaque site. Les mécaniciens de nombreux petits ateliers industriels et d’autres formidables artisans ont pu imaginer mille améliorations (parfois brillantes, d’autres fois moins) donnant un nombre incalculable de machines différentes et originales, mais toutes empreintes du génie de James Francis.
Si votre moulin cache une petite turbine Francis, de marque prestigieuse ou complètement oubliée, en fonctionnement ou en attente de réanimation, conservez-là soigneusement, car vous avez le privilège de détenir un trésor.