Turbina hidráulica

Uma turbina hidráulica é um rotor de pás que a água sob pressão faz girar muito depressa, dentro de uma caixa fechada ou sob um jato. Tal como a roda hidráulica, aproveita a energia de uma queda de água, mas numa máquina muito mais pequena e rápida, e desde a década de 1880 move os geradores das centrais hidroelétricas.

O que é

Uma turbina hidráulica é uma roda de pás curvas, o rotor, que a água sob pressão faz girar a grande velocidade. Tal como a roda hidráulica, tira a sua energia da água que cai de uma certa altura. Mas uma roda de alimentação superior gira ao ar livre sob o peso da água dos seus copos, e uma roda de alimentação inferior com o empurrão da corrente, a poucas voltas por minuto. A turbina recebe a água por uma conduta e gira dezenas ou centenas de vezes mais depressa, pelo que uma máquina muito mais pequena dá a mesma potência.

A sua velocidade permite-lhe acionar um gerador elétrico com poucas ou nenhumas engrenagens. Quase todas as centrais hidroelétricas usam um de três modelos: a roda Pelton, a turbina Francis ou a turbina Kaplan.

Como funciona

Numa turbina de ação, um injetor transforma toda a pressão num jato rápido e o rotor gira no ar. Numa turbina de reação, o rotor está fechado e cheio de água; a pressão desce entre as pás, que trabalham como asas curvas.

A aresta de cada concha corta o jato em dois e devolve as duas metades para trás.

A roda Pelton é uma turbina de ação para quedas altas e caudais pequenos. Uma aresta divide cada concha, fende o jato e devolve cada metade quase em sentido contrário. A turbina Francis, de reação e a mais comum, cobre as quedas médias, de cerca de 40 a 600 metros. A turbina Kaplan, uma hélice cujas pás rodam no cubo, serve para quedas baixas e grandes caudais, abaixo dos 80 metros, aproximadamente.

A prancha mostra um grupo Francis. A água desce pela conduta forçada (1) até à caixa espiral (2), que se estreita ao enrolar-se à volta da máquina para que a água entre por igual de todos os lados. As pás diretrizes (3) põem-na a rodar e regulam o caudal. Atravessa o rotor (4) de fora para dentro e sai para baixo pelo tubo de aspiração (5), uma conduta que alarga, a abranda pouco a pouco e recupera parte da energia que ainda leva.

A potência disponível é P = ρ·g·Q·H·η: massa volúmica da água ρ (cerca de 1000 kg/m³), gravidade g (9,81 m/s²), caudal Q em m³/s, queda útil H em metros e rendimento η. Com 100 metros de queda, 0,2 m³/s e 85 % para turbina e gerador em conjunto, P = 1000 × 9,81 × 0,2 × 100 × 0,85 ≈ 167 kW. Uma grande turbina Francis, sozinha, ultrapassa os 90 %.

O gerador (7) está montado no mesmo veio, e a sua frequência acompanha a velocidade. O regulador (6) mantém-na fechando as pás diretrizes quando o veio acelera e abrindo-as quando abranda. Tem de agir aos poucos: fechar de repente uma conduta longa provoca um golpe de aríete, uma sobrepressão capaz de a rebentar. A 100 voltas por minuto, um gerador precisa de 60 polos para dar 50 hertz.

Como se constrói

Uma roda de colheres alimentada por uma mangueira de jardim a partir de um ribeiro pode acender uma lanterna de bicicleta. Peça primeiro autorização ao proprietário e à entidade que gere a água: na maior parte dos países, captar água de um curso de água exige licença.

Medir a queda. Estenda uma mangueira desde a tomada de água até ao local da roda, mantenha a ponta de cima debaixo de água e deixe-a correr até deixar de sair ar. Feche então a ponta de baixo com um manómetro: cada bar de pressão estática corresponde a cerca de 10,2 metros de queda. Um nível de obra e uma mira, levados para jusante de uma marca à seguinte, servem de verificação.

Medir o caudal. Num fio de água de menos de 5 litros por segundo, aproximadamente, faça-o passar por um tubo numa pequena barragem de terra e cronometre quanto tempo leva a encher um balde. Num ribeiro maior, cronometre um flutuador ao longo de 10 metros, multiplique a velocidade por cerca de 0,85 e depois pela largura e pela profundidade média.

Calcular a potência. Com 8 metros de queda e 0,3 litros por segundo na mangueira, a água leva P = 1000 × 9,81 × 0,0003 × 8 ≈ 24 W. A mangueira e o bocal perdem parte da queda, e uma roda e um dínamo caseiros só convertem em eletricidade uma parte modesta do resto. Conte com alguns watts, talvez o bastante para um dínamo de bicicleta de 3 watts, e meça o que obtém de facto. Deixe a maior parte do ribeiro para os peixes.

Duas colheres lado a lado formam uma concha dupla rudimentar.

Fazer o rotor. Fixe um disco de contraplacado com cerca de 30 cm de diâmetro num eixo de aço que gire em dois rolamentos. Aparafuse à volta da borda oito a dez pares de colheres de sopa, lado a lado, com as conchas a sair da borda, viradas para o jato e unidas numa aresta.

Apontar o jato. Ponha um bocal de jato na mangueira e prenda-o de modo que o jato bata nas arestas na tangente. Sem perdas sairia a 12,5 m/s; com o atrito na mangueira, é mais provável que saia a cerca de 10 m/s. As colheres rendem mais a metade da velocidade do jato, medida no círculo onde ele lhes bate: cerca de 270 voltas por minuto se esse círculo tiver 35 cm de diâmetro.

Juntar o dínamo. Monte no eixo um segundo disco liso com cerca de 35 cm e encoste à sua borda o rolete de um dínamo de garrafa. A 270 voltas por minuto, essa borda move-se como o pneu de uma bicicleta a cerca de 18 km/h. Ligue-o a uma lanterna de bicicleta com dois fios isolados: na bicicleta é o quadro que faz o retorno da corrente; aqui tem de ser um fio. Devolva a água ao ribeiro abaixo da roda.

Segurança. Nunca trabalhe sozinho junto a um ribeiro nem entre nele quando vai cheio: a água rápida e fria derruba e afoga. Uma mangueira que desce 8 metros já está a quase um bar. Abra e feche devagar as condutas longas, porque uma paragem brusca provoca um golpe de aríete que rebenta as uniões. Mantenha os olhos e os dedos fora do jato, proteja o rotor com uma tampa e corte a água antes de lhe tocar. Isole todas as ligações e mantenha os dedos longe também do rolete do dínamo. Os geradores maiores atingem tensões perigosas: nunca ligue nenhum à instalação elétrica de um edifício.

História e evolução

Na turbina de Fourneyron a água corre para fora, das diretrizes fixas para a coroa móvel.

Em 1825, Claude Burdin, professor da Escola de Minas de Saint-Étienne, construiu em Pontgibaud uma turbina com um rendimento de 67 %. O seu antigo aluno Benoît Fourneyron tornou-a uma máquina industrial: em abril de 1827, na forja de Pont-sur-l’Ognon, instalou uma turbina de seis cavalos com uma queda de 1,40 metros.

Em 1849, em Lowell, no Massachusetts, James B. Francis construiu uma turbina aperfeiçoada de fluxo centrípeto e publicou os seus ensaios em 1855. Nas regiões auríferas da Califórnia, Lester Pelton fez a sua primeira roda em 1878 e patenteou a concha dupla em 1880.

Em 1878, Lord Armstrong iluminou a sua casa de Cragside, em Northumberland, com lâmpadas de arco alimentadas pela água dos lagos da propriedade. Em Appleton, no Wisconsin, uma central forneceu corrente contínua a partir de 30 de setembro de 1882. Em 1895, a central Adams das cataratas do Niágara pôs a funcionar geradores Westinghouse de 5000 cavalos, em corrente alternada segundo o sistema de Nikola Tesla; a partir de novembro de 1896 a sua eletricidade chegou a Buffalo. Viktor Kaplan registou em 1913 a patente das pás orientáveis, e a primeira turbina Kaplan industrial funcionou em Velm, na Áustria, em 1919.

Em 2023 o mundo tinha 1412 GW de potência hidroelétrica. A barragem das Três Gargantas, na China, tem sozinha 22,5 GW, e cerca de 1,3 milhões de pessoas foram deslocadas para a sua albufeira. As barragens barram a passagem aos peixes migradores e retêm os sedimentos: segundo um estudo publicado em 2019, só 37 % dos 246 rios mais longos do mundo corriam ainda livres em todo o seu curso.