James Bicheno Francis, inventeur de la turbine Francis

L’ingénieur James Francis est connu pour avoir créé en 1948 la turbine Françis en perfectionnant la turbine de l’ingénieur français Benoit Fourneyron, inventée en 1826.

L’amélioration a consisté à ajouter des aubes directrices pour réguler le débit. De cette manière, la turbine peut fonctionner à une fréquence de révolution constante et entraîner le générateur électrique indépendamment des variations du débit. Les aubes directrices sont contrôlées par un système centralisé qui permet de modifier simultanément les réglages de toutes les aubes. 

Né en Angleterre en 1815, James Bicheno Francis émigre aux Etats Unis à l’âge de 18 ans. En 1834, il intègre la société Locks and Canal Company of Lowell, implantée dans le Massachusetts. Il en devient ingénieur en chef dès 1837 et reste au sein de cette société toute sa carrière.  

En 1948, il créé la turbine qui porte son nom. La turbine Francis est une turbine à réaction, ce qui signifie que l’eau au cours de son passage à travers la turbine, change de pression, perdant ainsi son énergie au profit du rotor. 

Pour répartir le débit sur la turbine Francis, l’eau passe d’abord dans une conduite en spirale (en forme d’escargot) et arrive sur le pourtour de la roue. La roue directrice qui entoure la roue mobile est munie de pales directrice orientables. Le volume d’eau entrant dans la turbine par unité de temps (c’est-à-dire le débit) est ajusté par rotation des pales directrices. Après avoir passé les aubes directrices, l’eau acquiert la vitesse nécessaire et se dirige vers le centre de la turbine. Elle est dirigée vers les pales fixes de la roue mobile située. Ici, l’eau cède son énergie cinétique et de pression. Elle s’écoule ensuite par le canal de fuite situé sous la roue. 

Pour créer sa turbine, James Francis a utilisé une méthode de modélisation très novatrice pour calculer les formes des aubes. Ses procédures de calcul sont encore applicables aujourd’hui dans la conception des turbines. Après de nombreuses améliorations et l’ajout des aubes directrices, la turbine a été largement utilisée dans le monde entier.

Les turbines Francis sont conçues pour générer de l’électricité avec une efficacité supérieure à 90 %. Elles sont adaptées pour des hauteurs de chute entre 20 et 700 mètres et leur puissance varie de quelques kW à 1 000 MW. Les rotors des turbines Francis installées dans les plus grandes centrales hydroélectriques du monde peuvent présenter un diamètre supérieur à 10 mètres. Il s’agit d’un type de turbine très courant et fréquemment utilisé dans les centrales hydroélectriques à pompage-turbinage. 

Les plus grandes turbines Francis ont été fabriquées pour la centrale hydroélectrique des Trois Gorges en Chine. Les rotors ont un diamètre de 10 mètres et une capacité de production allant jusqu’à 760 MW.