La turbine Francis est une roue hydraulique qui exploite l’énergie de l’eau courante et la transforme en électricité. Il s’agit d’une turbine à réaction à flux entrant, également appelée turbine à flux radial. Cela signifie que l’eau s’écoule de l’extérieur de la roue à travers des aubes directrices qui la dirigent vers le centre de la roue, où elle sort de la machine. Au fur et à mesure que l’eau s’écoule, elle fait tourner la roue de la turbine, un cylindre central avec en moyenne neuf à 19 rayons incurvés en forme de pale. Ce mouvement est transmis par un arbre à un générateur, où l’énergie de l’eau est convertie en électricité.
La machine a été inventée en 1849 par le scientifique américain James Francis, qui lui a donné son nom. Il a mené des expériences approfondies sur la conception de turbines hydrauliques. Ses découvertes lui ont permis d’améliorer la turbine à réaction à flux entrant existante, augmentant son efficacité à plus de 90 %. C’est la turbine hydraulique la plus efficace au monde, et c’est aussi la plus largement utilisée.
La modification de Francis de la conception standard de la turbine a utilisé la pression de l’eau changeante et la loi de conservation du moment cinétique. L’eau pénètre dans la turbine à partir d’une source à haute pression et s’écoule à travers une spirale dont le rayon diminue progressivement, faisant chuter sa pression et son moment angulaire et augmenter sa vitesse. L’eau en mouvement rapide fait tourner le coureur avec toujours plus de force à mesure qu’elle se rapproche de son centre, capturant l’énergie de l’eau avec peu de déchets. L’eau sort ensuite du canal et sort par un tube conçu pour ralentir le retour de l’eau. Cela permet de ramener l’eau à sa source en douceur, sans courants excessifs ni tourbillons.
En plus de son incroyable efficacité, la turbine Francis est populaire en raison de sa polyvalence. Des aubes directrices réglables régulent le débit d’eau entrant, en maintenant la vitesse de la roue et, par conséquent, la puissance de sortie constantes, quels que soient les changements de débit de l’eau de source. La hauteur de chute hydraulique est une mesure de l’énergie d’un fluide par unité de poids, et la turbine Francis peut être conçue pour fonctionner dans une plage de hauteur de chute d’environ 10 à 700 mètres. Il peut également générer de l’énergie dans une large gamme allant de quelques kilowatts à près d’un gigawatt.
Contrairement à une roue hydraulique à l’ancienne, l’axe d’une turbine Francis est vertical. Vue de dessus ou en coupe horizontale, la machine ressemble un peu à une coquille d’escargot. En plus de produire de l’électricité, ce type de turbine peut également être utilisé pour pomper de l’eau dans des réservoirs à une altitude plus élevée, où elle peut ensuite être renvoyée à travers la turbine pour produire plus d’électricité.