Turbina Francisa to koło wodne, które wykorzystuje energię płynącej wody i zamienia ją w energię elektryczną. Jest to turbina reakcyjna z przepływem do wewnątrz, znana również jako turbina z przepływem promieniowym. Oznacza to, że woda przepływa z zewnątrz koła przez łopatki kierujące, które kierują ją w kierunku środka koła, gdzie wychodzi z maszyny. Gdy woda płynie, obraca wirnik turbiny, centralny cylinder ze średnio 19 do XNUMX zakrzywionymi, podobnymi do łopatek szprychami. Ruch ten jest przenoszony przez wał do generatora, gdzie energia wody zamieniana jest na energię elektryczną.
Maszyna została wynaleziona w 1849 roku przez amerykańskiego naukowca Jamesa Francisa, od którego pochodzi nazwa maszyny. Prowadził rozległe eksperymenty dotyczące projektowania turbin wodnych. Jego odkrycia pozwoliły mu ulepszyć istniejącą turbinę reakcyjną z przepływem do wewnątrz, zwiększając jej wydajność do ponad 90%. Jest to najbardziej wydajna turbina wodna na świecie, a także najczęściej stosowana.
Modyfikacja Francisa standardowej konstrukcji turbiny wykorzystywała zmienne ciśnienie wody i prawo zachowania momentu pędu. Woda wpływa do turbiny ze źródła wysokiego ciśnienia i przepływa przez spiralę o stopniowo malejącym promieniu, powodując spadek jej ciśnienia i momentu pędu oraz wzrost prędkości. Szybko poruszająca się woda obraca biegaczem z jeszcze większą siłą, gdy zbliża się do jego środka, przechwytując energię wody przy niewielkich stratach. Woda następnie wypływa z rynny i wychodzi przez rurkę zaprojektowaną do spowalniania wody. Pozwala to na łagodny powrót wody do źródła, bez nadmiernych prądów i wirowania.
Oprócz niesamowitej wydajności turbina Francisa jest popularna ze względu na swoją wszechstronność. Regulowane łopatki kierujące regulują dopływ wody, utrzymując stałą prędkość rynny, a tym samym moc wyjściową, niezależnie od zmian natężenia przepływu wody źródłowej. Hydrauliczna „głowica” jest miarą energii płynu na jednostkę masy, a turbinę Francisa można zaprojektować do pracy w zakresie głowicy od około 10 do 700 metrów. Może również generować moc w szerokim zakresie od kilku kilowatów do prawie gigawata.
W przeciwieństwie do staromodnego koła wodnego, oś turbiny Francisa jest pionowa. Widziana z góry lub w poziomym przekroju maszyna przypomina trochę muszlę ślimaka. Oprócz generowania energii, ten rodzaj turbiny może być również używany do pompowania wody do zbiorników na wyższych wysokościach, gdzie później może być kierowana z powrotem przez turbinę, aby wytworzyć więcej energii elektrycznej.