Turbina Francis este o roată de apă care valorifică energia apei curgătoare și o transformă în electricitate. Este o turbină cu reacție cu flux spre interior, cunoscută și ca turbină cu flux radial. Aceasta înseamnă că apa curge din exteriorul roții prin palete de ghidare care o direcționează spre centrul roții, unde iese din mașină. Pe măsură ce apa curge, se rotește roata turbinei, un cilindru central cu o medie de nouă până la 19 spițe curbate, asemănătoare unei lame. Această mișcare este transmisă de un arbore la un generator, unde energia apei este transformată în electricitate.
Mașina a fost inventată în 1849 de omul de știință american James Francis, după care a fost numită mașina. El a efectuat experimente ample privind proiectarea turbinelor cu apă. Descoperirile sale i-au permis să îmbunătățească turbina existentă cu reacție cu flux spre interior, crescând eficiența acesteia la peste 90%. Este cea mai eficientă turbină cu apă din lume și, de asemenea, este cea mai utilizată.
Modificarea lui Francis a designului standard al turbinei a folosit schimbarea presiunii apei și legea conservării momentului unghiular. Apa intră în turbină dintr-o sursă de înaltă presiune și curge printr-o spirală cu o rază care descrește treptat, determinând scăderea presiunii și a momentului unghiular și creșterea vitezei. Apa care se mișcă rapid învârte alergătorul cu tot mai multă forță pe măsură ce se apropie de centrul său, captând energia apei cu puține deșeuri. Apa iese apoi din canal și iese printr-un tub conceput pentru a încetini apa înapoi. Acest lucru permite ca apa să fie înapoiată la sursă ușor, fără curenți excesivi sau turbioare.
Pe lângă eficiența sa incredibilă, turbina Francis este populară datorită versatilității sale. Paletele de ghidare reglabile reglează debitul de apă la intrare, menținând viteza roții și, prin urmare, puterea de ieșire constantă, indiferent de modificările debitului sursei de apă. „Capul” hidraulic este o măsură a energiei unui fluid pe unitatea de greutate, iar turbina Francis poate fi proiectată să funcționeze într-un interval de cap de aproximativ 10 până la 700 de metri. De asemenea, poate genera energie într-un interval larg de la câțiva kilowați până la aproape un gigawat.
Spre deosebire de o roată de apă de modă veche, axa unei turbine Francis este verticală. Privită de sus sau de o secțiune transversală orizontală, mașina arată un pic ca coaja unui melc. Pe lângă generarea de energie, acest tip de turbină poate fi folosit și pentru a pompa apă în rezervoare la altitudine mai mare, unde mai târziu poate fi direcționată înapoi prin turbină pentru a produce mai multă electricitate.