Francis -turbiini on vesipyörä, joka hyödyntää juoksevan veden energian ja muuttaa sen sähköksi. Se on sisäänpäin virtaava reaktioturbiini, joka tunnetaan myös nimellä säteittäinen virtausturbiini. Tämä tarkoittaa, että vesi virtaa pyörän ulkopuolelta ohjainsiipien kautta, jotka ohjaavat sen pyörän keskustaan, josta se poistuu koneesta. Kun vesi virtaa, se kääntää turbiinin juoksupyörän, keskisylinterin, jossa on keskimäärin yhdeksän-19 kaarevat, terän kaltaiset pinnat. Tämä liike välitetään akselilla generaattorille, jossa veden energia muuttuu sähköksi.
Koneen keksi vuonna 1849 amerikkalainen tiedemies James Francis, jonka mukaan kone on nimetty. Hän teki laajoja kokeita vesiturbiinien suunnittelussa. Hänen havaintojensa ansiosta hän pystyi parantamaan nykyistä sisäänpäin suuntautuvaa reaktioturbiinia lisäämällä sen tehokkuutta yli 90 prosenttiin. Se on maailman tehokkain vesiturbiini, ja sitä käytetään myös laajimmin.
Francis muutti turbiinia vakiorakenteessa hyödyntäen vedenpaineen muutosta ja kulmamomentin säilyttämistä koskevaa lakia. Vesi tulee turbiiniin korkeapaineisesta lähteestä ja virtaa kierukan läpi, jonka säde pienenee vähitellen, jolloin sen paine ja kulmamomentti laskevat ja nopeus kasvaa. Nopeasti liikkuva vesi pyörii juoksijaa yhä voimakkaammin, kun se lähestyy keskustaa, ja vangitsee veden energian vähällä jätteellä. Vesi kulkee sitten ulos juoksuputkesta ja poistuu putken kautta, joka on suunniteltu hidastamaan vettä takaisin. Tämä mahdollistaa veden palauttamisen lähteeseen varovasti ilman liiallisia virtauksia tai pyörrytystä.
Uskomattoman tehokkuutensa lisäksi Francis -turbiini on suosittu monipuolisuutensa vuoksi. Säädettävät ohjaussiivet säätelevät tulevan veden virtausta pitäen juoksijan nopeuden ja siten myös tehon vakiona riippumatta lähteen veden virtausnopeuden muutoksista. Hydraulinen “pää” mittaa nesteen energiaa painoyksikköä kohti, ja Francis -turbiini voidaan suunnitella toimimaan noin 10-700 metrin pään alueella. Se voi myös tuottaa virtaa laajalla alueella muutamasta kilowatista lähes gigawattiin.
Toisin kuin vanhanaikainen vesipyörä, Francis-turbiinin akseli on pystysuora. Ylhäältä katsottuna tai vaakasuorassa poikkileikkauksessa kone näyttää hieman etanankuorelta. Sähköntuotannon lisäksi tällaista turbiinia voidaan käyttää myös pumppaamaan vettä korkeammalla oleviin säiliöihin, joissa se voidaan myöhemmin ohjata takaisin turbiinin läpi saadakseen enemmän sähköä.