Il meccanismo di funzionamento di una turbina Francis
La turbina è costituita da un involucro esterno a spirale, seguito da una serie di pale fisse chiamate pale direttrici. Segue un insieme di pale mobili chiamate pale direttrici, poi un gruppo di pale centrali chiamate giranti e infine un condotto di uscita chiamato tubo di aspirazione.
Il flusso entra nella turbina Francis attraverso l'involucro a spirale. La riduzione della sezione trasversale dell'involucro garantisce che il flusso entri nella parte centrale della turbina con velocità uniforme lungo tutto il perimetro.
Il flusso passa quindi attraverso due serie di pale prima di entrare nella girante, ovvero le pale fisse esterne e le pale direttrici interne. Le pale fisse servono a indirizzare l'acqua verso la sezione della girante. Contribuiscono inoltre a ridurre la turbolenza all'ingresso del flusso.
Le pale direttrici, situate tra le pale fisse e la girante, svolgono un ruolo cruciale. Gestiscono la portata in base alla domanda di energia, che tuttavia varia nel tempo. Le pale direttrici regolano la portata dell'acqua e assicurano che la produzione di energia sia in sintonia con la domanda. Inoltre, controllano l'angolo di incidenza del flusso diretto verso le pale della girante, cercando di ottimizzare l'angolo di incidenza del flusso in ingresso per massimizzare lo sfruttamento dell'energia idrica.