Турбіна Френсіса була винайдена американцем Джеймсом Френсісом в 1849 році. Нові технічні рішення для водяних турбін привели до того, що цей тип турбіни було встановлено на ухилах до 5 м. Турбінні рішення Francis аналогічні турбінам Kaplan з різницею в конструкції ротора і рульового колеса. Проточними частинами турбіни Френсіса є: рульове колесо, ротор, усмоктувальна труба і часто зустрічається корпус особливої форми у вигляді котла, воронки або спіралі, завданням якого є подача води на рульове колесо (мал. 1).
Ротор турбіни Френсіса складається з двох ободів, з’єднаних лопатями. Залежно від ухилу і силового агрегату лопаті турбіни виготовляються різними способами. На висотах до 50 м і агрегатах малої і середньої потужності вони виготовляються з м’якого сталевого листа під пресом, а потім з’єднуються з чавунними кільцями при їх відливанні або зварюються сталевими кільцями.
Лопаті, призначені для роботи на великих обсягах і більш потужних агрегатах, виготовлені з литої сталі з одним або декількома виливками (мал. 3), причому для з’єднання цих елементів використовується зварювання. Лопаті ротора обертаються навколо дистанційних штифтів, які з’єднують кришку рульового колеса з її підставкою.
Іншим рішенням є лопаті, сполучені з шарнірами, які обертаються на підшипниках. Один з підшипників встановлений в кришці, а інший – в підставці рульового колеса.
Мал. 1. Турбіна Френсіса з горизонтальним валом та внутрішнім регулюванням; 1 – робоче колесо, 2 – кришка рульового колеса, 3 – опора рульового колеса, 4 – регулювальне кільце, 5 – шпатель рульового управління, 6 – роз’єм, 7 – бампер, 8 – вал турбіни, 9 – поперечно-осьової підшипник, 10 – сальник, 11 – вал управління, 12 – регулювальний важіль, 13 – підвісний підшипник, 14 – сальникова коробка, 15 – підшипник регулювального вала, 16 – важіль двухплечевий, 17 – регулювальний шток, 18 – кривизна, 19 – усмоктувальна труба, 20 – труба витоку, 21 – настінне кільце.
Компоненти рульового колеса призначені для роботи лопатей турбіни і регулювання подачі води в ротор. Це регулювання можна назвати зовнішнім регулюванням, тому що система управління знаходиться поза простором, що заповнений водою, тоді як, якщо ця система розміщена в просторі, заповненому водою, мова йде про внутрішнє регулювання (турбіни, що працюють в умовах низької витрати).
Вода, що витікає з робочого колеса, може бути направлена в дренажний канал за допомогою всмоктуючої труби з прямим всмоктуванням або зігнутим. Усмоктувальна труба створює негативний тиск на виході з ротора і призначена для відновлення деякої кінетичної енергії води, що виходить з робочого колеса.
Турбіни Френсіса з вертикальними валами (мал. 2) використовуються в основному на невеликих висотах, а в разі великих витоків використовуються турбіни з горизонтальними валами. На ухилах не більше 15 м для турбіни Френсіса малої і середньої потужності зазвичай споруджують бетонні камери, відкриті або закриті, з ухилами 25 м – бетонні спіралі, з ухилами близько 100 м – турбіна розташована в камері з олова або чавуну, в той час як при ще більших ухилах спіраль виготовлена з литої сталі. Для отримання більш високих швидкостей використовуються багатороторні турбіни.
Мал. 2. Турбіна Френсіса з вертикальним валом
Перевагами турбін Френсіса є можливості зміни їх конструкції, що дозволяють найбільш вигідно вибирати турбіну для будівництва електростанцій, обладнання для електростанцій і об’єктів на окремій місцевості.
Мал. 3. Ротор турбіни Френсіса.
Недоліками турбін Френсіса є часте виникнення невеликих витоків на периферії ротора. Щоб усунути цю проблему, використовуються кільця ущільнювачів для турбін з низьким рівнем прокачування.
