Pranciškaus turbina yra vandens ratas, kuris panaudoja tekančio vandens energiją ir paverčia ją elektra. Tai vidinio srauto reakcijos turbina, dar žinoma kaip radialinio srauto turbina. Tai reiškia, kad vanduo teka iš rato išorės per kreipiamąsias mentes, kurios nukreipia jį į rato centrą, kur jis išeina iš mašinos. Tekant vandeniui jis pasuka turbinos bėgelį – centrinį cilindrą su vidutiniškai 19–XNUMX išlenktų, į ašmenis panašių stipinų. Šis judesys velenu perduodamas į generatorių, kur vandens energija paverčiama elektra.
Mašiną 1849 metais išrado amerikiečių mokslininkas Jamesas Francis, kurio vardu mašina ir pavadinta. Jis atliko išsamius vandens turbinų projektavimo eksperimentus. Jo išvados leido jam patobulinti esamą vidinio srauto reakcijos turbiną, padidinant jos efektyvumą iki daugiau nei 90%. Tai pati efektyviausia vandens turbina pasaulyje, be to, ji yra ir plačiausiai naudojama.
Pranciškaus pakeitus standartinę turbinos konstrukciją, buvo panaudotas kintantis vandens slėgis ir kampinio momento išsaugojimo įstatymas. Vanduo patenka į turbiną iš aukšto slėgio šaltinio ir teka spirale palaipsniui mažėjančiu spinduliu, todėl jo slėgis ir kampinis momentas krenta, o greitis didėja. Greitai judantis vanduo sukasi bėgiką vis didesne jėga, kai jis artėja prie centro, sugaudamas vandens energiją su nedideliu kiekiu atliekų. Tada vanduo išeina iš bėgelio ir išeina per vamzdį, skirtą sulėtinti vandens tekėjimą atgal. Tai leidžia švelniai, be didelių srovių ir sūkurių, grąžinti vandenį į šaltinį.
Be neįtikėtino efektyvumo, Francis turbina yra populiari ir dėl savo universalumo. Reguliuojamos kreipiančiosios mentelės reguliuoja įeinančio vandens srautą, išlaikant pastovų bėgimo greitį, taigi ir išėjimo galią, nepriklausomai nuo šaltinio vandens srauto pokyčių. Hidraulinė „galva“ yra skysčio energijos, tenkančios svorio vienetui, matas, o „Francis“ turbina gali būti sukurta veikti maždaug 10–700 metrų aukštyje. Jis taip pat gali generuoti plačią galią nuo kelių kilovatų iki beveik gigavato.
Skirtingai nuo senamadiško vandens rato, Pranciškaus turbinos ašis yra vertikali. Žiūrint iš viršaus arba horizontaliu skerspjūviu, mašina atrodo kaip sraigės kiautas. Be galios generavimo, šios rūšies turbinos taip pat gali būti naudojamos vandeniui pumpuoti į aukštesniame aukštyje esančius rezervuarus, kur vėliau jį galima nukreipti atgal per turbiną, kad būtų pagaminta daugiau elektros energijos.