# Turbina hidráulica

> A queda de água transformada em eletricidade

- Data: 1827
- Época: Era industrial
- Domínio: [Energia e motores](https://lastcodex.org/pt/domains/energy/)
- Etapa: IV (Ciência e indústria)
- Dificuldade: 4/5
- URL: https://lastcodex.org/pt/inventions/water-turbine/

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.

![Turbina hidráulica · A queda de água transformada em eletricidade](https://lastcodex.org/_astro/plate.DmZHxlk3_Z17UtgR.webp)

## Legenda

1. Conduta forçada
2. Caixa espiral
3. Pás diretrizes
4. Rotor
5. Tubo de aspiração
6. Regulador
7. Gerador

## 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.

![Uma roda Pelton com conchas duplas na periferia e um injetor a dirigir um jato para a concha de baixo](https://lastcodex.org/_astro/v1.g0HoLEqC_1kTUeb.webp)
_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.

![Uma roda caseira de colheres aos pares num disco de contraplacado, um bocal de mangueira apontado às colheres e um dínamo de garrafa num segundo disco atrás](https://lastcodex.org/_astro/v2.Db29XU9B_Id0UV.webp)
_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

![A turbina centrífuga de Fourneyron vista de cima, com pás diretrizes fixas dentro de uma coroa de pás móveis](https://lastcodex.org/_astro/v3.VEmIBX11_ZCX8OU.webp)
_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.

## Números-chave

- Primeira turbina industrial: Benoît Fourneyron, abril de 1827, Pont-sur-l'Ognon (França): 6 cv com uma queda de 1,40 m
- Potência disponível: P = ρ·g·Q·H·η
- Conchas duplas de Pelton: Patente norte-americana 233 692, 26 de outubro de 1880
- Maior central: Barragem das Três Gargantas, China: 22,5 GW
- Potência hidroelétrica mundial: 1412 GW em 2023

## Requer

- [Roda hidráulica](https://lastcodex.org/pt/inventions/water-wheel/): Um rio transformado em trabalho (c. 300 a.C.)
- [Aço](https://lastcodex.org/pt/inventions/steel/): Ferro com a dose certa de carbono (c. 1.000 a.C.)
- [Gerador elétrico](https://lastcodex.org/pt/inventions/generator/): O movimento transformado em corrente (1831)

## Conduz a

- [Alumínio](https://lastcodex.org/pt/inventions/aluminium/): Alumina transformada em metal pela corrente (1886)

## Fontes

- [Usine de transformation des métaux dite forges de Pont-sur-l'Ognon (IA70000081)](https://pop.culture.gouv.fr/notice/merimee/IA70000081), Ministère de la Culture, base Mérimée
- [Instrument de démonstration en mécanique des fluides n° 5 : tourniquet hydraulique](https://patrimoine.bourgognefranchecomte.fr/dossier/pdf/IM21008546), Inventaire du patrimoine, Région Bourgogne-Franche-Comté
- [Boyden Hydraulic Turbines (landmark brochure)](https://www.asme.org/wwwasmeorg/media/ResourceFiles/AboutASME/Who%20We%20Are/Engineering%20History/Landmarks/5-Boyden-Hydraulic-Turbines-1871.pdf), American Society of Mechanical Engineers
- [#157 Pelton Waterwheel Collection](https://www.asme.org/about-asme/engineering-history/landmarks/157-pelton-waterwheel-collection), American Society of Mechanical Engineers
- [US 233,692: Water-wheel (L. A. Pelton, 26 October 1880)](https://patents.google.com/patent/US233692A/en), United States Patent Office, via Google Patents
- [100 Jahre Kaplan-Turbine (H. Jaberg, WasserWirtschaft 6/2014)](https://www.hfm.tugraz.at/fileadmin/user_upload/pics/news/2020/201406_Helmut_Jaberg_Viktor-Kaplan-Kaplanturbine.pdf), Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen, TU Graz
- [History of Cragside](https://www.nationaltrust.org.uk/visit/north-east/cragside/history-of-cragside), National Trust
- [Milestones: Vulcan Street Plant, 1882](https://ethw.org/Milestones:Vulcan_Street_Plant,_1882), IEEE Engineering and Technology History Wiki
- [Milestones: Adams Hydroelectric Generating Plant, 1895](https://ethw.org/Milestones:Adams_Hydroelectric_Generating_Plant,_1895), IEEE Engineering and Technology History Wiki
- [Niagara Power Houses](https://edisontechcenter.org/niagara/), Edison Tech Center
- [Types of Hydropower Turbines](https://www.energy.gov/eere/water/types-hydropower-turbines), U.S. Department of Energy, Water Power Technologies Office
- [Turbine types](https://re.emsd.gov.hk/english/other/hydroelectric/Turbine_types.html), Electrical and Mechanical Services Department, Hong Kong SAR Government
- [Glossary of Hydropower Terms](https://www.usbr.gov/power/edu/Glossary%20of%20Hydropower%20Terms.pdf), U.S. Bureau of Reclamation
- [Hydraulic head](https://energyeducation.ca/encyclopedia/Hydraulic_head), Energy Education, University of Calgary
- [Water (FAO Training Series), chapter 3: Estimates of water flow](https://www.fao.org/fishery/static/FAO_Training/FAO_Training/General/x6705e/x6705e03.htm), FAO
- [2024 World Hydropower Outlook](https://www.hydropower.org/publications/2024-world-hydropower-outlook), International Hydropower Association
- [Thousands being moved from China's Three Gorges, again (Reuters)](https://www.eco-business.com/news/thousands-being-moved-from-chinas-three-gorges-again/), Eco-Business
- [New study: just one-third of the world's longest rivers remain free-flowing](https://reporter.mcgill.ca/new-study-just-one-third-of-the-worlds-longest-rivers-remain-free-flowing/), McGill University Reporter (on Grill et al., Nature 569, 2019)
- [Fluid Machinery, lectures 26–27: Pelton wheel](https://archive.nptel.ac.in/content/storage2/courses/112104117/chapter_7/7_5.html), NPTEL, Indian Institute of Technology Kanpur
- [Pelton Impulse Water Turbine Design Formulas](https://www.engineersedge.com/hydraulic/pelton_impulse_water_turbine_15629.htm), Engineers Edge

Factos verificados em 2026-10-14.

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