Francisturbinen är ett vattenhjul som utnyttjar energin från rinnande vatten och förvandlar det till elektricitet. Det är en inåtströmningsreaktionsturbin, även känd som en radiellflödesturbin. Detta innebär att vatten rinner från utsidan av hjulet genom ledskovlar som riktar det mot hjulets mitt, där det lämnar maskinen. När vattnet rinner vrider det turbinens löpare, en central cylinder med i genomsnitt nio till 19 böjda, bladliknande ekrar. Denna rörelse överförs av en axel till en generator, där vattnets energi omvandlas till elektricitet.
Maskinen uppfanns 1849 av den amerikanske vetenskapsmannen James Francis, som maskinen är uppkallad efter. Han genomförde omfattande experiment på design av vattenturbiner. Hans upptäckter gjorde det möjligt för honom att förbättra den befintliga turbinen med inåtflödesreaktion och öka dess effektivitet till över 90 %. Det är den mest effektiva vattenturbinen i världen, och det är också den mest använda.
Francis modifiering av standardturbindesignen använde sig av förändrat vattentryck och lagen om bevarande av rörelsemängd. Vatten kommer in i turbinen från en högtryckskälla och strömmar genom en spiral med en gradvis minskande radie, vilket gör att dess tryck och rörelsemängd sjunker och dess hastighet ökar. Det snabbrörliga vattnet snurrar löparen med allt mer kraft när det närmar sig centrum och fångar vattnets energi med lite avfall. Vattnet passerar sedan ut ur löparen och går ut genom ett rör utformat för att sakta ner vattnet igen. Detta gör att vattnet kan återföras till sin källa försiktigt, utan alltför stora strömmar eller virvelbildning.
Förutom sin otroliga effektivitet är Francis-turbinen populär på grund av dess mångsidighet. Justerbara ledskovlar reglerar det inkommande vattenflödet och håller löparhastigheten och därmed uteffekten konstant oavsett förändringar i källvattnets flödeshastighet. Hydrauliskt ”huvud” är ett mått på en vätskas energi per viktenhet, och Francis-turbinen kan konstrueras för att arbeta inom ett tryckhöjdsområde på cirka 10 till 700 meter. Den kan också generera kraft inom ett brett intervall från några kilowatt till nästan en gigawatt.
Till skillnad från ett gammaldags vattenhjul är axeln på en Francisturbin vertikal. Sett uppifrån eller horisontellt tvärsnitt ser maskinen lite ut som ett snigelskal. Förutom att generera kraft kan denna typ av turbin också användas för att pumpa in vatten i reservoarer på högre höjd, där det senare kan ledas tillbaka genom turbinen för att göra mer elektricitet.