基于CiteSpace 的汽輪機(jī)研究進(jìn)展分析

張明理，宋曉輝，藺奕存，普建國，伍剛，劉迪，李明昊，李紅智

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

目前，世界各國仍以火力發(fā)電作為主要的發(fā)電途徑，而汽輪機(jī)則在其中起到將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要作用[1-4]。汽輪機(jī)是重要的原動機(jī)之一，它不僅應(yīng)用于壓縮機(jī)、泵和高爐風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備，而且與鍋爐、發(fā)電機(jī)構(gòu)成了火力發(fā)電的三大主體，源源不斷地為工業(yè)生產(chǎn)和社會生活提供電力供應(yīng)。

世界上第1 臺汽輪機(jī)誕生于19 世紀(jì)，而我國第1 臺汽輪機(jī)誕生于1955 年。隨著技術(shù)的成熟，我國對汽輪機(jī)的研究也越來越多元化。目前，針對汽輪機(jī)的研究主要包括機(jī)組故障分析、提高機(jī)組的自動化水平、耐超高溫材料、轉(zhuǎn)子及葉片的振動、提高機(jī)組效率和運(yùn)行水平。

王嬋嬋等[5]基于汽輪機(jī)熱耗率模型難以精準(zhǔn)預(yù)測的問題，提出利用改進(jìn)的獅群算法和快速學(xué)習(xí)網(wǎng)綜合建模。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)的獅群算法可以提高汽輪機(jī)熱耗率的預(yù)測精度。呂凱等[6]針對超臨界1 000 MW 級燃煤發(fā)電機(jī)組提出了“汽電雙驅(qū)”的思路。結(jié)果顯示，中高負(fù)荷段選用純凝式汽輪機(jī)的方案產(chǎn)生的供電煤耗率增加值低于其余方案。曹麗華等[7]研究了平齒汽封、高低齒汽封、側(cè)齒汽封和阻旋齒汽封4 種葉頂汽封腔室內(nèi)部的泄漏流動特性和渦系相互作用規(guī)律。萬忠海等[8]深入分析了汽輪機(jī)特性參數(shù)變化對調(diào)節(jié)閥流量特性的影響及其規(guī)律。羅淇元等[9]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度隨工況的變化規(guī)律。夏亞磊等[10]計算了不同支撐剛度下轉(zhuǎn)子軸承振動、軸振和絕對軸振響應(yīng)特性。研究表明：不同支撐剛度下轉(zhuǎn)子不平衡振動響應(yīng)差異較大；柔性支撐下，軸承振動較大，軸振較小。

目前針對汽輪機(jī)的相關(guān)論文數(shù)量龐大，單從傳統(tǒng)的歸納和閱讀進(jìn)行文獻(xiàn)整理和分析存在一些問題，如工作量大、主觀性強(qiáng)。隨著知識圖譜作為科學(xué)計量學(xué)的新方法和新領(lǐng)域在中國勃然興起，其以顯著的客觀性、定量化、模型化的宏觀研究優(yōu)勢已獲得廣泛應(yīng)用[11-13]。CiteSpace 作為知識圖譜繪制軟件之一，在農(nóng)學(xué)、地理等其他學(xué)科研究中得到廣泛應(yīng)用[14-15]。目前，應(yīng)用CiteSpace 可視化分析已獲得學(xué)者們認(rèn)可。例如：曾子玲分析麥冬研究熱點與趨勢[16]；趙禮強(qiáng)對共享經(jīng)濟(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析[17]；賈寬寬對茶園土壤酸化研究熱點的分析[18]等。因此，本文嘗試通過采用CiteSpace 文獻(xiàn)計量分析工具[19-20]，基于Web of Science（WOS）數(shù)據(jù)庫2010—2020 年的文獻(xiàn)資料進(jìn)行分析、挖掘、圖形呈現(xiàn)來揭示其研究主題演變的過程，繪制知識圖譜來展示汽輪機(jī)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，以期掌握目前汽輪機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并為后續(xù)學(xué)者提供啟發(fā)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

本文以WOS 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源，以ISI web of knowledge 作為檢索平臺。其中，科學(xué)引文索引（Science Citaion Index，SCI）作為世界知名的引文常引數(shù)據(jù)庫，包含的學(xué)科超過170 個，收錄了自然科學(xué)、土木工程、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的6 000 余種高質(zhì)量學(xué)術(shù)期刊。該數(shù)據(jù)庫收錄了世界各學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)最優(yōu)秀的科技期刊，能夠從宏觀層面反映科學(xué)前沿的發(fā)展動態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)來源和分析工具

數(shù)據(jù)樣本選取自WOS，標(biāo)題詞檢索“汽輪機(jī)”，文獻(xiàn)類型選擇研究論文、研究綜述、會議論文，檢索日期為2021 年7 月27 日。分析的時間范圍為2010—2020 年，分析工具采用WOS 數(shù)據(jù)庫自帶分析工具與可視化分析軟件CiteSpace 8.5。最終獲得2010—2020 年WOS 數(shù)據(jù)庫中“汽輪機(jī)”相關(guān)研究論文1 559 篇，去重后1 543 篇，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)從文獻(xiàn)計量學(xué)角度分析汽輪機(jī)的發(fā)展態(tài)勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 汽輪機(jī)發(fā)文量分析

將2010—2020 年WOS 數(shù)據(jù)庫中“汽輪機(jī)”相關(guān)研究論文按文獻(xiàn)發(fā)文量進(jìn)行統(tǒng)計，并繪制曲線，如圖1 所示。

圖1 汽輪機(jī)研究領(lǐng)域發(fā)文量Fig.1 Amount of papers issued in the field of steam turbine research

由圖1 可知，該領(lǐng)域的發(fā)文量在總體上呈波動趨勢，其發(fā)文量增長情況可分為以下2 個階段。

1）2010—2017 年（波動期）該期間發(fā)文量的波動比較大，且相鄰年份發(fā)文量變化很大。該時期的汽輪機(jī)研究處于多元化，研究領(lǐng)域呈現(xiàn)多樣性，如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片的振動、汽缸熱應(yīng)力和故障診斷等。

2）2017—2020 年（下降期）雖然近4 年來，發(fā)文量逐漸降低，但整體來看汽輪機(jī)領(lǐng)域的發(fā)文量保持一個較高的水平。隨著電力和節(jié)能減排的發(fā)展，學(xué)者們對汽輪機(jī)的研究逐漸全面。尤其近些年，資源匱乏與全球變暖，使得汽輪機(jī)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究受到更多關(guān)注。

2.2 汽輪機(jī)發(fā)文國家、機(jī)構(gòu)及作者分析

2.2.1 汽輪機(jī)發(fā)文國家分析

不同國家的發(fā)文情況反映了該國家對該研究領(lǐng)域關(guān)注度[21-22]。本文通過文獻(xiàn)計量對汽輪機(jī)領(lǐng)域發(fā)文量排名前5 的國家進(jìn)行匯總，結(jié)果見表1；同時，進(jìn)行了可視化節(jié)點分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 國家可視化節(jié)點分布Fig.2 National visualization node distribution map

表1 汽輪機(jī)研究發(fā)文量排名前5 的國家Tab.1 Top 5 countries in terms of volume of steam turbine research publications

由表1 可知，發(fā)文量前5 國家分別為中國、德國、美國、英國和捷克共和國。中國發(fā)文量第1（頻次高達(dá)479），表明中國在汽輪機(jī)研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先且在學(xué)術(shù)界具有一定的影響力。由圖2 可知，中國與德國、美國、英國、捷克共和國等多個國家之間均有合作，其他國家之間也相互緊密合作。

汽輪機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究對國家的電力行業(yè)和工程機(jī)械行業(yè)尤為重要。但從表1 分析來看，發(fā)達(dá)國家占據(jù)更多席位。對于發(fā)展中國家而言，整體科技水平落后、資金短缺和專業(yè)技術(shù)人才不足等原因，導(dǎo)致無法支持更多的學(xué)術(shù)研究。雖然發(fā)達(dá)國家占據(jù)了很多席位，但是中國在汽輪機(jī)領(lǐng)域的研究走在最前列，引領(lǐng)整個行業(yè)。

2.2.2 機(jī)構(gòu)分析

研究機(jī)構(gòu)的發(fā)文量也反映了該機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的影響力度[23]。2010—2020 年汽輪機(jī)領(lǐng)域發(fā)文量位居前5 的機(jī)構(gòu)見表2。

表2 汽輪機(jī)研究發(fā)文量排名前5 的機(jī)構(gòu)Tab.2 Top 5 institutions in the amount of research and publications on steam turbines

由表2 可知：

1）發(fā)文量最多的前5 個機(jī)構(gòu)分別為西安交通大學(xué)（文獻(xiàn)占比4.6%）、西門子股份公司（文獻(xiàn)占比3.95%）、上海交通大學(xué)（文獻(xiàn)占比2.92%）、斯圖加特大學(xué)（文獻(xiàn)占比1.62%）及華北電力大學(xué)（文獻(xiàn)占比1.49%）?？傮w上看，研究機(jī)構(gòu)以汽輪機(jī)領(lǐng)域高校為主。

2）中國西安交通大學(xué)研究實力最高（中心性達(dá)到0.06），其次是德國的西門子股份公司。雖然科研機(jī)構(gòu)影響力的高低與其發(fā)文量并非成比例關(guān)系；但是，較高的發(fā)文量在某種程度上會使頻次和H 指數(shù)增高，從而使機(jī)構(gòu)影響力隨之增加。

圖3 為科研機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜。由圖3 可見，西安交通大學(xué)與中國上海交通大學(xué)、華北電力大學(xué)等多個知名科研機(jī)構(gòu)均有合作關(guān)系。

圖3 科研機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.3 Network map of cooperation network of scientific research institutions

2.2.3 作者分析

學(xué)者是學(xué)術(shù)研究和科學(xué)研究的主體，所發(fā)文章的多少直接體現(xiàn)學(xué)者和機(jī)構(gòu)的科研能力[24-26]。本文對2010—2020 年汽輪機(jī)領(lǐng)域作者進(jìn)行圖譜分析，結(jié)果如圖4 所示。發(fā)文量越多，圖中的節(jié)點顯示越大。表3 為汽輪機(jī)研究發(fā)文量排名前5 的作者。由表3 可知，發(fā)文量最多的前3 作者分別為JUN LI（17 篇）、LIHUA CAO（16 篇）、YINGZHENG LIU（15 篇）?？傮w上看，排名前3 的均為中國人。在前5 中，MANFRED WIRSUM 的突變最高（突現(xiàn)度為4.57）；ZHENPING FENG 的中心性最大，表明該學(xué)者對于汽輪機(jī)的研究具有重要作用。

表3 汽輪機(jī)研究發(fā)文量排名前5 的作者Tab.3 Top 5 authors of steam turbine research papers

圖4 作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.4 Author’s cooperation network map

2.3 共被引期刊和文獻(xiàn)分析

分析共被引文獻(xiàn)和期刊，可以幫助學(xué)者篩選查閱重要期刊，也能為學(xué)者們選擇目標(biāo)期刊投稿與參考文獻(xiàn)研究提供有價值的參考[27]。為此，本文通過共被引文獻(xiàn)與期刊進(jìn)行基礎(chǔ)概況分析。

2.3.1 共被引文獻(xiàn)分析

文章的被引頻次在一定程度上反映了人們對該熱點的關(guān)注程度，同時也體現(xiàn)了該文章在該領(lǐng)域的重要性[26]。2010—2020 年汽輪機(jī)研究領(lǐng)域共被引期刊圖譜如圖5 所示。表4 為汽輪機(jī)研究論文中排名前5 的共被引參考文獻(xiàn)。由表4 可知，共被引文獻(xiàn)頻次最高的是Fu J L 于2012 年在《渦輪機(jī)械》（J TURBOMACH ）期刊發(fā)表的“Unsteady interactions between axial turbine and nonaxisymmetric exhaust hood under different operational conditions”一文[28]。

圖5 2010—2020 年汽輪機(jī)研究領(lǐng)域共引期刊圖譜Fig.5 The map of co-cited journals in the field of steam turbine research from 2010 to 2020

總體上看，在共被引頻次前5 文獻(xiàn)中，《燃?xì)廨啓C(jī)動力》（J ENG GAS TURB POWER）期刊論文最多（21 篇），占比達(dá)42%；其次為《渦輪機(jī)械》（J TURBOMACH）期刊。這表明，《燃?xì)廨啓C(jī)動力》（J ENG GAS TURB POWER）期刊在汽輪機(jī)領(lǐng)域發(fā)展中具有重要作用。

中心性高的節(jié)點文獻(xiàn)在關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)圖譜中起著重要的鏈接和媒介作用。中心性越高，說明其在整個網(wǎng)絡(luò)中的控制和引導(dǎo)作用就越強(qiáng)。由表4還可見，F(xiàn)u J L[28]、Burton Z[29]的論文中心性居于前2。

表4 汽輪機(jī)研究論文中排名前5 的共被引文獻(xiàn)Tab.4 Top 5 of cited references for steam turbine research papers

2.3.2 共被引期刊分析

表5 為汽輪機(jī)研究論文排名前5 的共被引期刊。從共被引頻次角度來看，在2010—2020 年汽輪機(jī)領(lǐng)域中，J ENG GAS TURB POWER 共被引期刊頻次最高，占前5 名期刊的26.68%。

表5 汽輪機(jī)研究論文排名前5 的共引期刊Tab.5 Top 5 steam turbine research papers co-cited by journals

從期刊影響力角度來看，ENERGY 期刊影響因子是共被引期刊里最高的，說明該期刊在汽輪機(jī)研究領(lǐng)域?qū)儆陧敿墮?quán)威期刊。關(guān)注該期刊，可更好把握汽輪機(jī)研究最前沿。

整體上看，在被引頻次前5 的期刊中，工程機(jī)械方面的期刊最多，其次是能源與燃料，由此說明汽輪機(jī)的研究不僅是機(jī)械方面的問題，也是能源方面問題。

通過中心性節(jié)點可以更好地說明，工程機(jī)械方面的期刊中心性均較高，例如J ENG GAS TURB POWER 中心性達(dá)0.22。工程機(jī)械方向的期刊半衰期最長，說明該期刊對于汽輪機(jī)領(lǐng)域的研究指引性較強(qiáng)。

2.4 研究熱點分析

通過研究大量該領(lǐng)域近10 年的文獻(xiàn)，辨別該領(lǐng)域研究熱點和前沿，進(jìn)而預(yù)測該領(lǐng)域未來的研究方向與熱點話題。為此，本文通過分析學(xué)科領(lǐng)域研究方向和關(guān)鍵詞來研究汽輪機(jī)的熱點。

2.4.1 學(xué)科領(lǐng)域研究方向

2010—2020 年汽輪機(jī)研究論文學(xué)科領(lǐng)域研究方向圖譜如圖6 所示，排名前6 的研究方向見表6。

表6 汽輪機(jī)研究論文學(xué)科領(lǐng)域排名前6 的研究方向Tab.6 Top 6 research fields of steam turbine research papers

圖6 2010—2020 年汽輪機(jī)研究論文學(xué)科領(lǐng)域研究方向圖譜Fig.6 The research direction map of steam turbine research papers from 2010 to 2020

由圖6 和表6 可知，頻次較高的是工程學(xué)，其次是工程與機(jī)械學(xué)，說明汽輪機(jī)的研究領(lǐng)域主要集中在工程應(yīng)用和旋轉(zhuǎn)機(jī)械2 個方面。由表6 可知：工程學(xué)的中心性節(jié)點最高，其次是材料科學(xué)方向；大部分研究集中于熱力學(xué)、材料、機(jī)械學(xué)和力學(xué)等領(lǐng)域，這表明汽輪機(jī)的相關(guān)研究呈現(xiàn)多樣性和多元化。

2.4.2 關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞聚類的分析有助于發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)研究熱點[30-31]。本文采用對數(shù)似然比（log likelihood ratio，LLR）算法對關(guān)鍵詞進(jìn)行了聚類分析，結(jié)果如圖7 所示。聚類編號0—6，數(shù)字越小，則該聚類下的文獻(xiàn)研究規(guī)模越大。這些文獻(xiàn)大體可以分為汽輪機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能故障分析。這表明目前汽輪機(jī)技術(shù)主要集中在油系統(tǒng)故障、汽輪機(jī)葉片故障、汽輪機(jī)異常振動和優(yōu)化通流設(shè)計。

圖7 2010—2020 年汽輪機(jī)關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.7 The cluster map of steam turbine keywords from 2010 to 2020

為便于分析關(guān)鍵詞的具體內(nèi)容，篩選出排名前15 的高頻關(guān)鍵詞，結(jié)果見表7。出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞為汽輪機(jī)（326 次）；其次，性能優(yōu)化（84 次）和流動分別位列第3 和第4。總的來看，當(dāng)前世界除對汽輪機(jī)及其性能和故障分析關(guān)注外，也對汽輪機(jī)的通流設(shè)計優(yōu)化也較為重視。在研究內(nèi)容上，詞頻超過80 的關(guān)鍵詞當(dāng)中，研究范圍較為明確，內(nèi)容較為具體，主要分為故障和性能分析、優(yōu)化通流設(shè)計和轉(zhuǎn)子以及葉片的振動及疲勞3 方面。

表7 汽輪機(jī)研究論文排名前15 的關(guān)鍵詞分析Tab.7 Top 15 rankings of key word analysis of steam turbine research papers

CiteSpace 具有突現(xiàn)詞的探測功能，例如突現(xiàn)詞（Bursts）。該詞是指某些年份發(fā)表文獻(xiàn)中驟增的專業(yè)術(shù)語，適合表征研究前沿發(fā)展趨勢[32]。對突現(xiàn)詞及其驟增時間分析，并按強(qiáng)度排序，結(jié)果如圖8 所示。2010—2020 年，汽輪機(jī)領(lǐng)域進(jìn)入高度活躍期，涌現(xiàn)出高強(qiáng)度突現(xiàn)詞“故障診斷（fault diagnosis）”?？梢?，故障診斷是汽輪機(jī)早期研究的熱點。但是，由于汽輪機(jī)在作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和危害，因此故障分析也一直是研究的熱點。近10 年來，隨著科技的發(fā)展，汽輪機(jī)領(lǐng)域研究的熱點和研究方向由單一的故障分析向多元化轉(zhuǎn)變，如優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化通流設(shè)計和轉(zhuǎn)子及葉片的振動和疲勞。

圖82010 —2020年前10位突現(xiàn)詞Fig.8 Top 10 emerging keywords from 2010 to 2020

3 未來汽輪機(jī)發(fā)展趨勢

通過對大量的汽輪機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)的學(xué)科分類和關(guān)鍵詞分析，得到未來汽輪機(jī)發(fā)展趨勢如下：

1）研發(fā)更耐高溫材料（700 ℃以上），增大單機(jī)功率，提高蒸汽參數(shù)，優(yōu)化通流設(shè)計，提高機(jī)組效率。

2）發(fā)展大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，提高電站熱力循環(huán)效率。

3）隨著蒸汽參數(shù)的提高，必將增加漏氣量，未來將需要針對汽封的材料和減小漏氣量進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

通過對汽輪機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計與分析，對其結(jié)果進(jìn)行如下總結(jié)：

1）在2010—2020 年，在汽輪機(jī)研究領(lǐng)域中國占有較大席位（31.04%），其次德國（10.56%）。在主要研究機(jī)構(gòu)方面，前3 名為中國和德國研究機(jī)構(gòu)，分別為西安交通大學(xué)、西門子股份公司、上海交通大學(xué)。

2）在汽輪機(jī)研究領(lǐng)域，中國學(xué)者和德國學(xué)者最為突出，但彼此間的合作交流很少。JUN LI 為發(fā)文量最大的學(xué)者。J ENG GAS TURB POWER 期刊對推動汽輪機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展起著舉足輕重的作用。

3）通過對大量的汽輪機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)的學(xué)科分類和關(guān)鍵詞分析發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)的相關(guān)研究方向不局限于汽輪機(jī)的效率及故障診斷，同時也涉及多方面，如汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、葉片、蒸汽的流動性等。隨著科技的進(jìn)步，未來汽輪機(jī)領(lǐng)域在汽輪機(jī)材料、熱電聯(lián)產(chǎn)、提高蒸汽參數(shù)等方面具有可拓展性。