Ο στρόβιλος Francis είναι ένας τροχός νερού που αξιοποιεί την ενέργεια του τρεχούμενου νερού και το μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Είναι ένας στρόβιλος αντίδρασης προς την εσωτερική ροή, γνωστός και ως στρόβιλος ακτινικής ροής. Αυτό σημαίνει ότι το νερό ρέει από το εξωτερικό του τροχού μέσω πτερυγίων οδήγησης που τον κατευθύνουν προς το κέντρο του τροχού, όπου εξέρχεται από το μηχάνημα. Καθώς το νερό ρέει, περιστρέφει τον δρομέα της τουρμπίνας, έναν κεντρικό κύλινδρο με κατά μέσο όρο εννέα έως 19 καμπύλες ακτίνες που μοιάζουν με πτερύγια. Αυτή η κίνηση μεταδίδεται από έναν άξονα σε μια γεννήτρια, όπου η ενέργεια του νερού μετατρέπεται σε ηλεκτρική.
Το μηχάνημα εφευρέθηκε το 1849 από τον Αμερικανό επιστήμονα Τζέιμς Φράνσις, από τον οποίο πήρε το όνομά του. Διεξήγαγε εκτεταμένα πειράματα στο σχεδιασμό υδροστροβίλων. Τα ευρήματά του του επέτρεψαν να βελτιώσει τον υπάρχοντα στρόβιλο αντίδρασης προς την εσωτερική ροή, αυξάνοντας την απόδοσή του σε πάνω από 90%. Είναι ο πιο αποδοτικός υδροστρόβιλος στον κόσμο, και είναι επίσης ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος.
Η τροποποίηση του τυπικού σχεδιασμού του στροβίλου από τον Francis έκανε χρήση της μεταβαλλόμενης πίεσης του νερού και του νόμου διατήρησης της γωνιακής ορμής. Το νερό εισέρχεται στον στρόβιλο από μια πηγή υψηλής πίεσης και ρέει μέσα από μια σπείρα με βαθμιαία φθίνουσα ακτίνα, προκαλώντας πτώση της πίεσης και της γωνιακής ορμής και αύξηση της ταχύτητάς του. Το νερό που κινείται γρήγορα περιστρέφει τον δρομέα με όλο και μεγαλύτερη δύναμη καθώς πλησιάζει στο κέντρο του, συλλαμβάνοντας την ενέργεια του νερού με ελάχιστη σπατάλη. Στη συνέχεια, το νερό περνά έξω από τον δρομέα και εξέρχεται μέσω ενός σωλήνα που έχει σχεδιαστεί για να επιβραδύνει το νερό πίσω. Αυτό επιτρέπει στο νερό να επιστρέφει απαλά στην πηγή του, χωρίς υπερβολικά ρεύματα ή δινούρισμα.
Εκτός από την απίστευτη απόδοση του, ο στρόβιλος Francis είναι δημοφιλής λόγω της ευελιξίας του. Τα ρυθμιζόμενα πτερύγια οδήγησης ρυθμίζουν την εισερχόμενη ροή του νερού, διατηρώντας σταθερή την ταχύτητα του δρομέα και, επομένως, την ισχύ εξόδου, ανεξάρτητα από τις αλλαγές στον ρυθμό ροής του νερού της πηγής. Η υδραυλική “κεφαλή” είναι ένα μέτρο της ενέργειας ενός ρευστού ανά μονάδα βάρους και ο στρόβιλος Francis μπορεί να σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε εύρος κεφαλής περίπου 10 έως 700 μέτρα. Μπορεί επίσης να παράγει ισχύ σε ένα ευρύ φάσμα από μερικά κιλοβάτ έως σχεδόν ένα γιγαβάτ.
Σε αντίθεση με έναν παλιομοδίτικο τροχό νερού, ο άξονας μιας τουρμπίνας Francis είναι κατακόρυφος. Βλέποντας από ψηλά ή σε οριζόντια διατομή, το μηχάνημα μοιάζει λίγο με κέλυφος σαλιγκαριού. Εκτός από την παραγωγή ενέργειας, αυτού του είδους η τουρμπίνα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την άντληση νερού σε δεξαμενές σε υψηλότερο υψόμετρο, όπου μπορεί αργότερα να κατευθυνθεί πίσω μέσω του στροβίλου για να παράγει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια.