La turbina Francis è una ruota idraulica che sfrutta l’energia dell’acqua corrente e la trasforma in elettricità. È una turbina a reazione a flusso interno, nota anche come turbina a flusso radiale. Ciò significa che l’acqua scorre dall’esterno della ruota attraverso palette di guida che la dirigono verso il centro della ruota, dove esce dalla macchina. Mentre l’acqua scorre, fa girare la girante della turbina, un cilindro centrale con una media da nove a 19 raggi curvi a forma di lama. Questo moto viene trasmesso da un albero ad un generatore, dove l’energia dell’acqua viene convertita in elettricità.
La macchina è stata inventata nel 1849 dallo scienziato americano James Francis, da cui prende il nome la macchina. Ha condotto numerosi esperimenti sulla progettazione di turbine idrauliche. Le sue scoperte gli hanno permesso di migliorare la turbina a reazione a flusso interno esistente, aumentandone l’efficienza a oltre il 90%. È la turbina idraulica più efficiente al mondo ed è anche la più utilizzata.
La modifica di Francis del progetto standard della turbina ha fatto uso del cambiamento della pressione dell’acqua e della legge di conservazione del momento angolare. L’acqua entra nella turbina da una sorgente ad alta pressione e scorre attraverso una spirale con raggio gradualmente decrescente, provocando la diminuzione della sua pressione e del momento angolare e l’aumento della sua velocità. L’acqua in rapido movimento fa ruotare il corridore con sempre più forza mentre si avvicina al suo centro, catturando l’energia dell’acqua con poco spreco. L’acqua quindi esce dal corridore ed esce attraverso un tubo progettato per rallentare l’acqua. Ciò consente di riportare l’acqua alla sorgente dolcemente, senza correnti eccessive o vortici.
Oltre alla sua incredibile efficienza, la turbina Francis è apprezzata per la sua versatilità. Alette di guida regolabili regolano il flusso d’acqua in ingresso, mantenendo costante la velocità del corridore, e quindi la potenza erogata, indipendentemente dalle variazioni della portata dell’acqua di sorgente. La “prevalenza” idraulica è una misura dell’energia di un fluido per unità di peso e la turbina Francis può essere progettata per funzionare in un intervallo di prevalenza compreso tra 10 e 700 metri circa. Può anche generare energia in un ampio intervallo da pochi kilowatt a quasi un gigawatt.
A differenza di una vecchia ruota idraulica, l’asse di una turbina Francis è verticale. Vista dall’alto o da una sezione orizzontale, la macchina assomiglia un po’ al guscio di una lumaca. Oltre a generare energia, questo tipo di turbina può anche essere utilizzata per pompare acqua in serbatoi a quote più elevate, dove può essere successivamente reindirizzata attraverso la turbina per produrre più elettricità.