Turbines hydrauliques : Pelton, Francis, Kaplan, bulbe, et le problème de la cavitation

Hydroélectricité · Publié le 2026-10-13

Roue de turbine Kaplan à pales orientables exposée sur un socle dans un parc — Une roue de turbine Kaplan exposée en hommage à son inventeur, Viktor Kaplan, à Vienne. Photo : Reinraum, via Wikimedia Commons, CC0.

La turbine est le cœur d'une centrale hydroélectrique : la pièce qui transforme la pression ou la vitesse de l'eau en rotation. Il n'existe pas de turbine universelle. Chaque famille correspond à une plage de hauteurs de chute et de débits, et le choix se fait site par site, souvent sur mesure. Tour d'horizon des grandes familles et de l'ennemi commun de toutes ces machines : la cavitation.

Action ou réaction : deux principes

Les turbines se répartissent en deux grandes catégories :

Les turbines à action transforment d'abord toute la pression de l'eau en vitesse, dans un injecteur ; un jet libre frappe la roue à l'air libre. C'est le cas de la Pelton.
Les turbines à réaction sont entièrement noyées : l'eau sous pression traverse la roue et y cède à la fois sa pression et sa vitesse. C'est le cas des Francis, Kaplan et bulbe.

Pour choisir, les ingénieurs utilisent une grandeur sans dimension, la vitesse spécifique, qui combine la vitesse de rotation, le débit et la chute. Les faibles vitesses spécifiques (hautes chutes, faibles débits) appellent des Pelton ; les fortes (basses chutes, gros débits), des Kaplan ou des bulbes ; les Francis couvrent le large domaine intermédiaire.

La Pelton, pour les hautes chutes

Brevetée par l'Américain Lester Pelton vers 1880, elle ressemble à une roue à augets : des cuillères doubles, disposées sur la périphérie de la roue, reçoivent un ou plusieurs jets à très grande vitesse. Un pointeau règle le débit de chaque injecteur, et un déflecteur peut dévier le jet en urgence pour arrêter la machine sans coup de bélier dans la conduite. On la trouve dans les usines alimentées par des lacs d'altitude, où la chute dépasse plusieurs centaines de mètres et peut excéder le millier. Elle garde un bon rendement à charge partielle, ce qui la rend adaptée aux débits variables des torrents de montagne.

La Francis, la plus répandue

Mise au point au milieu du XIX^e siècle, notamment par l'ingénieur James B. Francis aux États-Unis, c'est la turbine la plus courante dans le monde. L'eau arrive par une bâche spirale, traverse un distributeur dont les directrices orientables règlent le débit, puis la roue, avant de ressortir dans l'axe par un aspirateur qui récupère une partie de l'énergie restante. Elle couvre une très large plage de chutes, de quelques dizaines à plusieurs centaines de mètres. Sa variante réversible, la turbine-pompe, équipe la plupart des stations de transfert d'énergie par pompage : la même machine pompe dans un sens et turbine dans l'autre (voir STEP : le stockage d'électricité par pompage).

La Kaplan, pour les basses chutes et les gros débits

Inventée par l'Autrichien Viktor Kaplan au début des années 1910, elle ressemble à une hélice de bateau. Sa particularité : les pales de la roue sont orientables, comme les directrices du distributeur. Ce double réglage lui permet de garder un excellent rendement quand le débit varie fortement, ce qui est le cas des fleuves et des grandes rivières de plaine. On la trouve dans les usines au fil de l'eau, avec des chutes de quelques mètres à quelques dizaines de mètres.

Le groupe bulbe

Variante de la Kaplan pour les très basses chutes, le groupe bulbe loge l'alternateur dans une capsule étanche placée directement dans l'écoulement, en amont de la roue. L'eau suit un trajet presque rectiligne, ce qui limite les pertes. L'usine marémotrice de la Rance, en Bretagne, mise en service en 1966, a été l'une des premières grandes réalisations de cette technologie, avec des groupes capables de fonctionner dans les deux sens de la marée.

Tableau de synthèse

Turbine	Chute typique	Débit	Usage courant
Pelton	Haute à très haute	Faible	Usines de lacs d'altitude, torrents
Francis	Moyenne à haute	Moyen	Barrages de vallée, STEP (turbine-pompe)
Kaplan	Basse	Élevé et variable	Fleuves, rivières au fil de l'eau
Bulbe	Très basse	Très élevé	Grands fleuves, usines marémotrices

Les plages de chute se recouvrent : sur un même site, deux familles peuvent être envisagées, et le choix final tient compte du rendement attendu, du coût du génie civil, de la variabilité du débit et de la place disponible. Les petites centrales utilisent aussi des machines plus simples (turbines à flux traversant, vis hydrodynamiques), que nous évoquons dans La petite hydroélectricité.

La cavitation, l'usure invisible

Quand l'eau accélère sur le profil d'une aube, sa pression baisse. Si elle descend sous la pression de vapeur saturante, des bulles de vapeur se forment localement, puis implosent violemment en revenant dans une zone de pression plus élevée. Chaque implosion martèle le métal. Répétées des millions de fois, ces micro-impacts arrachent de la matière, creusent les aubes et les bords de fuite, provoquent vibrations et bruit, et dégradent le rendement.

La cavitation dépend de la conception de la roue, de son point de fonctionnement et de la profondeur d'implantation de la turbine par rapport au niveau aval : plus la roue est « noyée », plus la pression autour d'elle est élevée. Les ingénieurs la caractérisent par un coefficient, dit de Thoma, et la testent sur des modèles réduits en laboratoire avant de construire la machine réelle. La recherche française en mécanique des fluides, notamment dans les laboratoires grenoblois, a beaucoup contribué à ces essais.

Dans les usines

La surveillance de la cavitation fait partie de la maintenance courante : inspections lors des arrêts programmés, mesures vibratoires et acoustiques, rechargement des zones érodées par soudage avec des aciers inoxydables résistants, voire remplacement de la roue par une roue redessinée, plus performante.

Des turbines plus douces pour les poissons

La continuité écologique a fait émerger des machines dites ichtyocompatibles, conçues pour limiter la mortalité des poissons qui dévalent la rivière à travers la turbine : roues à vitesse de rotation lente, peu de pales, écartements larges, vis hydrodynamiques. Elles sont surtout utilisées sur les petites chutes, en complément des grilles fines et des exutoires de dévalaison.

À chaque chute sa roue : la turbine se dessine à partir du site, jamais l'inverse.

Sources

Ministère de la Transition écologique, Hydroélectricité, page de politique publique (consultée en 2026).
Commission électrotechnique internationale, norme CEI 60193, essais de réception sur modèle des turbines hydrauliques.
Commission électrotechnique internationale, norme CEI 60609, évaluation de l'érosion de cavitation dans les turbines, pompes d'accumulation et pompes-turbines.
Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI), CNRS et Université Grenoble Alpes, travaux sur la cavitation.
Office français de la biodiversité, documentation sur la dévalaison et les turbines ichtyocompatibles.