LES ROUES HYDRAULIQUES   compléments historiques

Le type le plus simple était la roue à aubes planes entraînées par le courant de l’eau. 
Cette roue assez rudimentaire ne pouvait fournir que peu de puissance.
(Voir aussi la roue pendante)


C’est sur ce type simple que portèrent d’abord les premières observations et les premiers calculs, ceux-ci, en vue de déterminer quelle était la pression exercée par l’eau sur les pales. Mariotte, Newton et quelques autres mécaniciens, dont Daniel Bernoulli en 1727, s’intéressèrent à ce problème et exécutèrent des expériences dont le principe consistait à déterminer quel poids porté par un levier ou une poulie, équilibrait la pression de l’eau sur les pales. 

De ces travaux les mécaniciens conclurent que la pression exercée sur les pales était proportionnelle au carré de la vitesse relative du courant par rapport à la vitesse circulaire de la roue.
Pendant près d’un demi-siècle on admit comme exacte la règle formulée par Parent selon laquelle l’effet maximum est obtenu lorsque la vitesse du centre d’impulsion des aubes de la roue est égale au tiers de la vitesse du courant.

Cette règle fut abandonnée après les expériences de John Smeaton de 1752 et 1753 et les travaux de Borda de 1767. Comme pour les moulins à vent, Smeaton imagina un dispositif expérimental pour étudier les roues hydrauliques ; il pouvait faire varier la vitesse et le volume du courant et mesurer les effets grâce à une corde dont une extrémité était fixée sur l’arbre de la roue, qui passait dans une poulie, et dont l’autre extrémité supportait un poids. En France, à la même époque, Bossut utilisa un dispositif analogue et trouva comme  Smeaton que  l’effet maximum  était obtenu quand la vitesse de la roue était égale au 2/5 du vitesse du courant. 

Enfin Borda montra que l’impulsion était proportionnelle à la vitesse de l’eau, et non à son carré et que l’effet maximum était obtenu lorsque la vitesse de la roue était égale à la moitié de celle du courant.

D’autres facteurs firent aussi l’objet de longues discussions et recherches. On essaya de déterminer quelle était la largeur du coursier la plus favorable rapport à la largeur de la roue, quels devaient être l’inclinaison des pales sur l’arbre et l’espacement des pales entre elles, c’est-à-dire quel devait être le nombre des pales pour obtenir le meilleur rendement, quelle portion de la pale devait être plongée dans l’eau à son point le plus bas.

L’évolution de ces notions théoriques n’eut d’ailleurs pas d’effet immédiat sur la construction des roues et sur leurs installations qui se faisaient selon une tradition séculaire évolua très lentement jusque vers la fin du 18^ème siècle environ.

 Les perfectionnements furent plus rapides par la suite

 John Smeaton fut le premier artisan de ces progrès. Le nom de l’ingénieur anglais reste attaché à la construction du troisième phare d’Eddystone en 1755, au percement du canal de Forth à la Clyde et à de nombreux ouvrages de génie civil, à ses études sur les machines et aux perfectionnements qu’il a apportés à la machine à vapeur de Newcomen. fl établit également de nombreuses installations de roues hydrauliques. C’est lui qui, en 1769, construisit pour les forges de Carron la première roue possédant un axe en fonte. L’essai ne fut pas concluant car la fonte ne résistait pas au gel en raison de sa porosité.

Au cours de la seconde moitié du 18^ème siècle on commença à multiplier les installations avec des roues de grand diamètre dont pendant longtemps la grande  roue de Marly avait été le seul exemple.
Entre autres la grande installation du London Bridge fut mise en service en 1768 et devait fonctionner jusqu’en 1817, date à laquelle elle fut remplacée par des roues en fer. Ce sont les ingénieurs is John Rennie et M. I. Brund qui réalisèrent les premières grandes roues à arbre de fer vers la fin du

L’évolution de ces notions théoriques n’eut d’ailleurs pas d’effet immédiat sur la construction des roues et sur leurs installations qui se faisaient selon une tradition séculaire évolua très lentement jusque vers la fin du 18^ème siècle environ. Les perfectionnements furent plus rapides par la suite, surtout lorsque la fonte, puis le fer commencèrent à être utilisés. John Smeaton fut le premier artisan de ces progrès. Le nom de l’ingénieur anglais reste attaché à la construction du troisième phare d’Eddystone en 1755, au percement du canal de Forth à la Clyde et à de nombreux ouvrages de génie civil, à ses études sur les machines et aux perfectionnements qu’il a apportés à la machine à vapeur de Newcomen. fl établit également de nombreuses installations de roues hydrauliques. C’est lui qui, en 1769, construisit pour les forges de Carron la première roue possédant un axe en fonte. L’essai ne fut pas concluant car la fonte ne résistait pas au gel en raison de sa porosité.

Au cours de la seconde moitié du 18^ème siècle on commença à multiplier les installations avec des roues de grand diamètre dont pendant longtemps la grande  roue de Marly avait été le seul exemple.

Entre autres la grande installation du London Bridge fut mise en service en 1768 et devait fonctionner jusqu’en 1817, date à laquelle elle fut remplacée par des roues en fer. Ce Sont les ingénieurs  John Rennie et M. I. Brund qui réalisèrent les premières grandes roues àde fer vers la fin du 18^ème siècle et le début du 19^ème siècle.

Peu après le bois devait être abandonné pour la fabrication industrielle des roues hydrauliques, surtout lorsque l’emploi des roues à augets se généralisa. La roue de Poncelet, qui devait constituer dans la période qui nous occupe le dernier perfectionnement des roues en dessous ,fut entièrement réalisée en métal.

Les travaux de Poncelet sur les roues à aubes datent de 1828; le célèbre mécanicien établit par des études théoriques le moyen d’augmenter le rendement des roues en dessous à aubes planes qui n’étaient, dans les meilleures conditions d’installation, que de l’ordre de 30 % de l’énergie disponible de la chute d’eau. En particulier Poncelet montra que l’on pouvait éliminer les pertes d’énergie dues au  choc de l’eau sur les aubes en donnant à celle ci une forme courbe ;  il calcula la courbure la plus efficace des aubes, le profil et la disposition de la vanne d’admission de l’eau, le rayon de la roue et la largeur de la couronne portant les aubes permettant la meilleure utilisation de l’effet de l’eau sur les aubes courbes tout en conservant l’avantage des  roues en dessous, c’est-à-dire leur vitesse de rotation plus élevée que celle des roues de côté ou en dessus.

Tous les autres éléments qui permettaient d’augmenter le rendement furent soigneusement étudiés par Poncelet; c’est ainsi qu’il détermina que le profil du fond du coursier devait suivre le profil de la roue jusqu’à une certaine distance en aval de la verticale passant par l’axe de la roue, de façon à assurer l’élimination de l’eau des aubes courbes à l’instant de la course le plus opportun.
Toutes ces données réunies permirent d'augmenter sensiblement le rendement des roues en dessous.

Cependant la réalisation de ce type de roue n’était pas à la portée de tous les constructeurs au moment où les travaux de Poncelet furent connus. La roue était entièrement de métal, constituée par huit segments de couronne de fonte assemblés autour de l’axe et d’aubes en tôle. Si toutes les données géométriques n’étaient pas respectées  le rendement n’ atteignait pas la valeur espérée ; ce n’est que vers 1850, semble-t-il, que toutes les difficultés de construction furent définitivement surmontées.

La roue de côté et la roue en dessus impliquaient la substitution des augets aux aubes planes.
On ne peut pas dire avec certitude quelle fut la genèse de ces deux types de roues. L’utilisation du coursier pour canaliser le courant d’eau vers les pales de la roue conduisit sans doute progressivement à utiliser une partie de la chute pour faire agir le poids de l’eau sur les pales. Il ne semble pas qu’avant la fin du xVue siècle on ait tenté de généraliser l’emploi des augets. Leur construction, même sous la forme pris­matique qu’ils conservèrent jusqu’à la substitution du fer au bois, était plus compliquée, donc plus coûteuse, que celle des aubes planes. En outre, on n’appré­ciait pas l’avantage de leur utilisation. Bélidor estimait au contraire que leur emploi était moins avantageux que celui des pales et préconisait des roues de côté dont le coursier formerait vers le bas une courbe épousant la forme de la roue. Navier estimait, dans l’édition de l’Architecture hydraulique de Bélidor, qu’il publia en 1819 avec d’abondantes notes, que la négligence avec laquelle le célèbre ingénieur avait traité les roues à augets avait eu des conséquences fâcheuses sur les installations effectuées après lui.

Desaguliers fut sans doute le premier à émettre un avis contraire; selon lui les augets permettaient d’obtenir un effet dix fois plus grand que celui obtenu avec les pales. Deparcieux en 1754 acquit des notions plus précises en expérimentant sur une chute de plus de 4 pieds de haut, c’est-à-dire de 130 cm environ; il reconnut en outre que l’effet est d’autant plus grand que la vitesse de la roue est faible. Ce résultat fut confirmé l’année suivante par Leonard Euler qui fut le premier sans doute à établir une distinction nette entre trois catégories de roues, celles qui agissent par l’effet du choc, par l’effet du poids ou par l’effet de la réaction de l’eau. Smeaton et Borda apportèrent, comme pour les roues à aubes, les notions les plus sûres pour l’époque. Le premier trouva expérimentalement que la roue à augets permet d’obtenir un effet double de celui des roues à aubes planes; Borda détermina que le maximum d’effet est obtenu lorsque la vitesse de la roue est égale à la moitié de celle avec laquelle l’eau tombe dans les augets. De nombreux problèmes furent encore discutés, en particulier ceux de savoir quelle limite inférieure on devait fixer aux roues, quelle limite supérieure devait être donnée à la capacité des augets, comment le coursier devait être profilé pour qu’à leur passage inférieur les augets plongent ou non dans le courant de l’eau. Navier indique en 1819 que les roues de côté ou en dessus ne doivent pas en pratique avoir moins de 5 mètres de diamètre, que ce dernier doit être augmenté en fonction de la hauteur de la chute de façon à respecter le rapport de vitesses de la roue à celle de l’eau de ½. « On a fait, dit-il, des roues de cette espèce qui avaient jusqu’à 15 mètres de diamètre. » A cette date il s’agissait encore de roues en bois, avec des arbres de fer. Sur l’arbre était fixée une couronne dentée dont le rayon était le tiers ou la moitié du rayon de la roue et par laquelle se faisait l’entraînement de la machine à mouvoir.

Un peu avant le milieu du siècle un nouveau type de coté fut inventé par l’ingénieur français  Sagebien ; cette roue différait des roues à pales classiques par le fait que celle n’était pas disposée perpendiculairement à l’axe central . L’inventeur de ce dispositif a calculé l’inclinaison des pales de façon que celle qui passe au niveau de l’eau dans le canal d’arrivée fasse un angle de 45°  avec cette surface. Ainsi l’eau emplit sans choc l’intervalle entre les pales et en sort au bas de la course sans remous sur le fond du coursier. Cette disposition permettait de faire passer de 60-70 % à 80-90 % le rendement des roues de côté à aubes planes. (Ces valeurs paraissent très optimistes !)

La roue Sagebien construite en métal fut rapidement adoptée pour un grand nombre d’installations hydrauliques.

En France les premières roues entièrement en métal apparurent vers 1830 . A cette date en particulier une roue en dessus de 6,5 m de rayon fut installée à la manufacture de Sèvres par le constructeur anglais John Hall. Elle était constituée en tôle pour les augets, en fer pour les rayons, en fonte pour la couronne, les tourillons et l’arbre. Sur de telles roues la couronne dentée était reportée sur la périphérie, ce qui permettait d’obtenir une multiplication assez importante.

Vers le milieu du 19^ème siècle la construction des roues et l’aménagement des installations avaient atteint un degré de perfectionnement qui ne devait plus être dépassé par la suite. La pratique aussi bien que l’étude théorique de l’hydro­dynamique avaient permis une mise au point de la meilleure utilisation possible des chutes d’eau au moyen des roues verticales. Pour chaque type, la disposition du coursier, la capacité de la couronne, le tracé des augets et leur nombre, la forme des orifices d’admission, la régularisation automatique du vannage étaient parfaitement déterminés et assurés. Les efforts des hydrauliciens allaient porter désormais sur le développement des turbines dont déjà les premiers types étaient entrés en service.