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la roue hydraulique SAGEBIEN, roue hydraulique des basses chutes

Les débuts de la diffusion

1- Poncelet et Fourneyron les précurseurs.


Au cours du XIXème siècle, les besoins croissants en énergie ont amené les ingénieurs français à créer des moteurs hydrauliques perfectionnés, de manière à tirer partie de toutes les chutes existantes, petites ou grandes. La turbine hydraulique, inventée en 1827 par l’ingénieur stéphanois Fourneyron, ouvra la voie à celles que nous connaissons aujourd’hui. Dans le domaines des roues verticales plusieurs projets voient le jour, entre les années 1824 et 1855. En 1824, le lorrain Jean-Victor Poncelet (né à Metz le 1er juillet 1788) Général et mathématicien, invente la roue hydraulique verticale à aubes courbes, fabriquée en métal. Ce moteur, destiné à équiper les chutes de faible hauteur, avait le grand avantage de posséder un rendement de 60 %. 

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usine élévatoire des eaux de Trilbardou (77) - document J.P.H. Azema

2- La naissance de la roue Sagebien

Àla suite de ces travaux, un autre ingénieur, issu de l’école Centrale, Alphonse Sagebien, (né à Wavans-sur-l’Authie en 1807) s’intéressa de très près aux perfectionnements que l’on pouvait apporter aux moteurs hydrauliques, et plus particulièrement à la roue verticale équipant les basses chutes. Le milieu familial était favorable. En effet ses parents étaient propriétaires d’un moulin à farine, d’une huilerie, et d’une papeterie. En 1855, après avoir expérimenté un nouveau type de roue, il installe la toute première roue, en Picardie, chez Monsieur Queste, meunier à Ronquerolles (Oise), puis présente un dessin de ce nouveau moteur à l’exposition de 1855.

Cette roue, appelée désormais Sagebien, sera installée dans des filatures, des moulins à papier, des scieries, des usines hydrauliques élevant l’eau des villes, de simples moulins. Au cours de l’année 1868, à la suite de la publication en 1866 de la brochure intitulée “Expériences sur la roue hydraulique Sagebien”, la Société pour l’Encouragement à l’Industrie Nationale (SEIN), confie à M. Tresca, une mission dévaluation de ce nouveau moteur hydraulique. Les premiers essais sont menés dans la filature de Monsieur Sement, à Serquigny (Eure), qui dispose d’une roue de 90 ch. L’enquêteur constate que les roues Sagebien conviennent surtout pour des chutes de 0.60 à 1.50 mètre, et des débits s’échelonnant de 1000 à 1200 l/s, par mètre de largeur.

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La vitesse linéaire maximum est de 2 m/s, souvent entre 0.60 et 0.80 m/s, ce qui représente 1.5 tour/mn. Avantage non négligeable sur les autres roues, la roue Sagebien fonctionne même noyée en aval. Après avoir effectué des mesures sur 14 sites d’usines, le rapporteur démontre que le rendement moyen de ce moteur hydraulique est de 0.80, “c’est à dire à un chiffre qu’aucun système de récepteur hydraulique n’avait encore présenté”. Les usines hydrauliques visitées permirent d’effectuer des constats étonnants, voir d’aller à l’encontre d’idées reçues. En effet, (…) “7 roues ont remplacé des turbines avec avantage très marqué dans le produit de ces usines. Chez M. Fesné, on a remarqué le même avantage par rapport à la roue Poncelet que la nouvelle installation remplaçait ; il a été de même à Brunoy par rapport à une roue de côté. Le choix, fait par M. Fontaine, de la roue Sagebien, pour ses moulins de Chartres et Dreux, démontre que cet habile constructeur n’aurait pas espéré le même résultat en employant ses turbines. à Villers-Saint-Pol et à Pontl’évêque, les roues continuent à marcher dans les hautes eaux, alors que les usines voisines sont arrêtées par les remous de l’Oise”. (…) “à L’inverse, une roue de 10 mètres établie plus récemment pour la filature de M. Mulendorf près de Verviers (Belgique) utilise une chute de 4.20 m, elle y remplace deux turbines disposées pour fabriquer alternativement  pendant les plus grands et les plus faibles débits”.

En 1870, la roue hydraulique Sagebien à été diffusée à 63 exemplaires, dans 15 départements. La principale aire de diffusion de ces nouvelles roues reste le Nord et le Nord-Ouest de la France. Les moulins (certainement les minoteries) représentent 35 roues (55.55 %), les filatures et tissages accueillent 14 roues (22.20 %), les papeteries possèdent 8 roues (12.70 %), les roues équipant les usines hydrauliques, servant à l’élévation des eaux, sont au nombre de 2 (3.20 %), et les usines diverses (usine à tan, usine à glaces, etc.) au nombre de 4 (6.35 %).
L’usine élévatrice de Trilbardou, située à 5 kilomètre à l’Ouest de la ville de Meaux, est propriété de la commune de Paris. Elle alimente en eau le canal de l’Ourcq. Ses dimensions son impressionnantes ; elle mesure 11 mètres de diamètre et 6 mètres de largeur, sur une chute de 0.85 m de hauteur. Les aubes mesurent 2.50 m de longueur, (…) “pour parer aux fréquentes crues de la Marne et pouvoir marcher parfois lorsqu’on est noyé de 2.50 à 3 mètres”.

3- La confection du vannage

La roue Sagebien ou roue vanne est une roue de côté. L’expression “rouevanne” est dûe à l’ingénieur des Ponts et chaussées Charles Leblanc. Elle permet d’exprimer “que l’eau agissait sur ces grandes aubes successives, comme elle le ferait sur une série de vannes parallèles, équidistantes, se mouvant parallèlement à elles-même le long d’un plan incliné, dont la hauteur est celle de la chute.” (Debauve, 1875, 320). La roue vanne est garantie par deux vannes motrices. “La première se place en amont de la roue ;
elle est verticale et doit être entièrement levée quand la roue marche. L’autre est une vanne cylindrique qui est disposée de manière à permettre de diminuer dans une certaine mesure la section de la prise d’eau.” (Debauve, 1873, 317).

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roue Sagebien : détail de l’aubage et de la vanne motrice plongeante


En ce qui concerne l’écoulement de l’eau à partir de la deuxième vanne, Milandre (1920,100) apporte des précisions importantes. “On commettrait une grave erreur en appliquant à l’écoulement qui, dans les roues Sagebien s’opère sur la crête de la vanne lançoire, la formule des déversoirs. Il n’y a pas déversement puisque le niveau de l’eau entre les aubes est le même que celui du bief amont, l’écoulement s’effectue comme s’il n’y avait pas de vanne.” Ce qui caractérise la roue Sagebien, c’est l’absence de dénivellation de l’eau à son entrée dans le moteur ; le liquide d’amont passe sur une vanne plongeante inclinée et pénètre dans la roue sans chute ; Il n’y a aucun mouvement tumultueux, ni choc, ni remous ; de sorte que le rendement se trouve évidemment augmenté. “L’absence de choc est obtenue en donnant aux aubes une direction inclinée par rapport au rayon (…).” (Claudel, 1917, 380-381).

4-La confection de l’aubage

Les aubes de la roue Sagebien signent son esthétique et l’originalité de son fonctionnement. En effet, “elles sont tangentes à une c i r c o n f é r e n c e concentrique à la roue et inclinées dans le sens de rotation du moteur” (Milandre, 1920, 97). De même, “elles sont suffisamment prolongées vers le centre pour que l’eau ne puisse jamais, même aux époque des crues, se déverser par-dessus le bord intérieur des palettes entre les couronnes qui les maintiennent ; Leur longueur peut aller jusqu’à 2.50 m. L’inclinaison des aubes est supprimée sur une longueur de 0.12 à 0.15 m à partir des extrémités, pour éviter les broutements sur le coursier. La hauteur de l’eau au-dessus du niveau d’amont est de 1 mètre pour les grandes roues et de 1.50 m pour les petites.” (Claudel, 1917, 380- 381).
Pour parfaire le fonctionnement et développer la plus grande puissance possible, “la roue plonge dans les biefs amont et aval en tournant avec très peu de jeu  radial et axial dans le coursier qui les réunit. Il n’y a pas d’augets à proprement parler, mais des aubes toutes identiques. Pendant leur passage sur la hauteur d’eau, du canal amont, le volume compris entre les deux aubes se remplit sur une hauteur radiale qui dépend de la vitesse de la roue et qui est toujours inférieure à la hauteur radiale des aubes ; pendant que l’auget descend du bief amont vers le bief aval, cette hauteur reste constante aux fuites prêt, extrêmement faibles qui se produisent entre lui et l’auget suivant.” (Bergeron, 1928, 569). Pour rendre cohérent l’ensemble des paramètres, “le diamètre d’une roue-vanne doit être grand, afin que la direction des aubes qui se présentent à la prise d’eau soit peu inclinée sur la verticale. C’est dans le même but que les aubes sont relevées par rapport au rayon.” (Debauve, 1873, 318). 

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Châteaurenard, près Mansle (Charente) moulin équipé d’une roue Sagebien

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Elle convient donc aux faibles chutes “comprises entre 0.60 et 3 mètres. Avec une marche très lente, son rendement peut atteindre 0.80 et même 0.85 (…).” (Claudel, 1917, 380-381). (fig.2 et 3). “La vitesse à la circonférence des rouesvannes doit être de 0.60 m à 0.70 m par seconde, tandis que le minimum de vitesse recommandé pour les roues lentes de côté est de 1.50 m.” (Debauve, 1875, 317). La roue vanne prend donc l’eau sur une très grande hauteur avec une vitesse très faible. En période de crue, alors que la roue est noyée à l’aval, la roue continue de tourner là où les autres roues lentes seraient empêchées. Son rendement n’en n’est que faiblement altéré.

Pour préciser les choses, voyons les résultats des expériences (citées en 1917 par Claudel) et qui furent menées sur la roue type Sagebien installée par Brault et Bl. Thouart, à Chartres sur l’Eure.

Principales dimensions de la roue Brault et Bl. Thouart.
commune de Chartres (Eure)
Diamètre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.50 m
Largeur.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.60 m
Nombre d’aubes. . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Longueur des aubes, mesurée suivant le rayon de la roue. . . . . . 1.75 m
Longueur des aubes, mesurée suivant leur inclinaison.. . . . . . . . 1.85 m
Nombre de bras par chaque croisillon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Nombre de croisillons en fonte. . . . . . . 4
Nombre de cintres en fer par croisillon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Expériences faites sur cette roue :
résultats
Les aubes plongent de. ..................1.10 m
Prise d’eau ou ouverture verticale de la vanne.....................1.10 m
Nombre de tours par minute..........1.61 m
Débit en litres par seconde. ............2140 l
Chute..............................................2.30 m
Travail dépensé par seconde 2104 x 2.3 =..............................4839 kgm
Travail effectif produit par seconde. ....................................4069 kgm
Rendement (sur le deuxième arbre de transmission)........................0.84

5- Les inconvénients de la roue Sagebien

Les ingénieurs ayant étudié la roue Sagebien lui trouvent tout de même quelques inconvénients. Tout d’abord Laffitte (1909, 67) insiste sur les difficultés d’installation de ce type de roue. Ensuite Claudel, (1917, 382) insiste sur le fait qu’il faille “(…) lui donner de grandes dimensions et une grande solidité pour qu’elle puisse supporter le poids d’eau considérable qu’elle doit débiter ; En outre comme elle tourne avec une lenteur extrême, il faut, lorsque la rotation de l’arbre doit être rapide, intercaler une transmission complexe, qui a pour effet d’accroître la résistance et de diminuer le rendement. La roue Sagebien convient surtout dans le cas de cours d’eau réguliers, et lorsque les machines-outils qu’elle doit faire fonctionner doivent effectuer un travail sensiblement constant.” Enfin Bergeron (1928, 571), après avoir étudié en détail la machine constate qu’ “Il n’y a pas de hauteur de chute perdue comme dans la roue à augets. Mais par rapport à celle-ci on a une perte supplémentaire dûe au frottement de l’eau contre les bajoyers et contre le coursier (…). Le rendement est très supérieur à celui de la roue à augets (…).” Il trouve lui aussi ces machines trop lentes, et conclut en expliquant le déclin de ce type de moteur “(…) et l’on comprend que ces machines trop coûteuses et encombrantes aient à peu près disparu pour faire place à la turbine.”

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roue Zuppinger : Plan détaillé d’une roue étudiée par Girard pour l’élévation des sources basses de la Vanne. On notera le vannage à persiennes qui facilite l’admission de l’eau dans l’aubage, en toutes conditions hydrologiques. (Milandre, 1920)

6- Les roues Zuppinger-Girard

Ces moteurs, dérivés du modèle de base Sagebien, avec des aubes faiblement incurvées, sont influencés par la technique des roues Poncelet. Ils “(…) conviennent aux petites et moyennes chutes, surtout quand le niveau d’aval est sujet à de fortes variations” (Hütte, 1920, 819). La présence d’aubes courbes a amené nombre d’auteurs d’articles ou de livres récents, à baptiser improprement ces roues, de roue Poncelet.

Milandre (1920, 106) dans son traité d’hydraulique, précise la nature de ces moteurs hydrauliques. “Ces récepteurs ne sont que des roues de côté et à aubage courbe et profond ; elles constituent un type intermédiaire entre les roues de côté à déversoir proprement dites, et les roues Sagebien. Leur débit par mètre de largeur dépasse notablement celui des premières ; il atteint 1000 litres ; elles tournent à une vitesse double et même triple des secondes. Elles remplacent les unes et les autres avec
économie, quand le volume d’eau disponible est surabondant. Leur rendement varie entre 50 et 60 %. La courbure des palettes n’a d’autre but que de faciliter l’émersion du bief aval ; on conçoit en effet, qu’à un aubage disposé comme celui des roues Sagebien ne manquerait pas de produire un pelletage considérable derrière la roue, si celle-ci tournait à 2.50 m de vitesse au lieu de 0.80 m. Ce genre de moteur est beaucoup plus répandu en Allemagne qu’en France ; il est connu à l’étranger sous le nom de rue Zuppinger. Chez nous, il a été étudié par L. Girard.”

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La Ferté Millon (Seine et Marne) - Cette roue Sagebien dans le centre ville est tout ce qui reste du moulin qui était situé à droite de la photo


Jean Pierre Henri Azéma - Article paru dans le Monde des Moulins - N°1 - mai 2002