参考下面的文章，然后用与文章相同的语言回答问题：

段落：在1848年，詹姆斯·B·法兰西斯同时也担任Proprietors of Locks and Canals公司的首席工程师，并且，因为纺织需要大量的使用水车技术来产能，而来到拥有纺织之城之称的麻萨诸塞州洛厄尔来改进技术，为建立出更具有效能的水轮机。他运用了科学的原理以及科学的测试方式来建立出一个具有非常高效能的涡轮机设计。更重要的是，他的数学和图形计算方法改进了水轮机的设计和工程。他的分析方式更呈现出他所自信的高效率水轮机设计能够完全符合使用该技术站点的水流量和水压（水头）条件。

问题：What did James Francis improve?
水轮机的设计和工程