Die Francis-Turbine ist ein Wasserrad, das die Energie von fließendem Wasser nutzt und in Strom umwandelt. Es handelt sich um eine Einström-Reaktionsturbine, die auch als Radialströmungsturbine bekannt ist. Das bedeutet, dass das Wasser von der Außenseite des Rades durch Leitschaufeln strömt, die es in Richtung Radmitte lenken, wo es aus der Maschine austritt. Wenn das Wasser fließt, dreht es das Laufrad der Turbine, einen zentralen Zylinder mit durchschnittlich neun bis 19 gekrümmten, schaufelartigen Speichen. Diese Bewegung wird von einer Welle auf einen Generator übertragen, wo die Energie des Wassers in Strom umgewandelt wird.
Die Maschine wurde 1849 vom amerikanischen Wissenschaftler James Francis erfunden, nach dem die Maschine benannt ist. Er führte umfangreiche Versuche zur Auslegung von Wasserturbinen durch. Seine Erkenntnisse ermöglichten es ihm, die bestehende Einström-Reaktionsturbine zu verbessern und ihren Wirkungsgrad auf über 90 % zu steigern. Sie ist die effizienteste Wasserturbine der Welt und auch die am weitesten verbreitete.
Francis‘ Modifikation des Standard-Turbinendesigns nutzte den sich ändernden Wasserdruck und das Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses. Wasser tritt aus einer Hochdruckquelle in die Turbine ein und strömt durch eine Spirale mit allmählich abnehmendem Radius, wodurch Druck und Drehimpuls sinken und sich seine Geschwindigkeit erhöht. Das sich schnell bewegende Wasser dreht den Läufer mit immer mehr Kraft, wenn er sich seinem Zentrum nähert, und fängt die Energie des Wassers mit wenig Verlust ein. Das Wasser tritt dann aus dem Läufer aus und tritt durch ein Rohr aus, das das Wasser verlangsamen soll. Dadurch kann das Wasser schonend, ohne übermäßige Strömung oder Verwirbelung, an seine Quelle zurückgeführt werden.
Neben ihrer unglaublichen Effizienz ist die Francis-Turbine wegen ihrer Vielseitigkeit beliebt. Verstellbare Leitschaufeln regulieren den einströmenden Wasserfluss und halten die Laufradgeschwindigkeit und damit die Leistungsabgabe konstant, unabhängig von Änderungen der Durchflussmenge des Quellwassers. Die hydraulische „Förderhöhe“ ist ein Maß für die Energie einer Flüssigkeit pro Gewichtseinheit, und die Francis-Turbine kann so ausgelegt werden, dass sie in einem Fallhöhenbereich von etwa 10 bis 700 Metern arbeitet. Es kann auch Strom in einem weiten Bereich von wenigen Kilowatt bis fast einem Gigawatt erzeugen.
Im Gegensatz zu einem altmodischen Wasserrad ist die Achse einer Francis-Turbine vertikal. Von oben oder im horizontalen Querschnitt betrachtet, sieht die Maschine ein bisschen aus wie ein Schneckenhaus. Neben der Stromerzeugung kann mit einer solchen Turbine auch Wasser in höher gelegene Stauseen gepumpt werden, wo es später wieder durch die Turbine zur Stromerzeugung zurückgeleitet werden kann.