Turbine Francis
Turbine hydraulique à réaction à aubes fixes, où l’eau entre radialement et ressort axialement ; le modèle le plus répandu, employé pour les moyennes chutes d’environ 30 à 700 m.
Mise au point par James B. Francis à Lowell (Massachusetts) vers 1848, la turbine Francis est une turbine à réaction : la roue est entièrement noyée et sous pression, et l’eau lui cède son énergie à la fois par sa chute de pression et par sa variation de vitesse. L’eau entre dans une bâche spirale, traverse un distributeur à directrices réglables qui règle le débit et impose la mise en rotation, passe dans la roue et ressort par un aspirateur qui récupère l’énergie cinétique.
Chiffres principaux :
- Plage de chute : environ 30–700 m, la plupart des groupes entre 40 et 400 m (hauteur de chute)
- Rendement maximal : 93–96 % pour les gros groupes ; il chute nettement sous 40–50 % environ du débit nominal, quand apparaissent la torche de cavitation et les pulsations de pression dans l’aspirateur
- Taille des groupes : de moins de 1 MW à 1 000 MW ; Baihetan (Chine) compte 16 groupes Francis de 1 000 MW chacun ; les Trois-Gorges et Itaipu utilisent des groupes de la classe 700 MW
Les machines Francis dominent la puissance hydraulique installée dans le monde, car elles conviennent aux barrages de moyenne chute typiques des grands aménagements à réservoir. La pompe-turbine Francis réversible est la machine standard des stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) : elle tourne dans un sens en pompe et dans l’autre en turbine.
Les difficultés de conception portent sur la cavitation, maîtrisée en calant la roue sous le niveau aval, et sur l’instabilité à charge partielle, qui pèse davantage maintenant qu’on demande aux centrales hydrauliques d’équilibrer la production variable de l’éolien et du solaire.
Termes associés
Tous les termes →- Hauteur de chute
Différence d’altitude entre la surface de l’eau à la prise d’une centrale hydraulique et la sortie de la turbine ou le niveau aval ; avec le débit, elle détermine la puissance disponible.
- Turbine Pelton
Turbine hydraulique à action dans laquelle des jets d’eau à grande vitesse frappent les augets doubles d’une roue ; c’est le choix standard pour les hautes chutes, au-delà d’environ 250 m.
- Turbine Kaplan
Turbine hydraulique à réaction de type hélice, à pales de roue et directrices orientables, adaptée aux basses chutes d’environ 2 à 40 m et aux forts débits.
- Station de transfert d’énergie par pompage (STEP)
Stockage d’énergie qui pompe de l’eau vers un bassin supérieur quand l’électricité est bon marché ou abondante et la turbine quand on a besoin de puissance ; c’est la première forme de stockage réseau dans le monde.
- Hydroélectricité au fil de l’eau
Hydroélectricité qui dérive ou utilise le débit naturel d’un cours d’eau avec peu ou pas de retenue, si bien que la production suit le débit plutôt que la demande.