基于CiteSpace 的汽轮机研究进展分析

2022-04-30张明理宋晓辉蔺奕存普建国伍刚刘迪李明昊李红智

热力发电 2022年4期

张明理，宋晓辉，蔺奕存，普建国，伍刚，刘迪，李明昊，李红智

（西安热工研究院有限公司，陕西西安 710054）

目前，世界各国仍以火力发电作为主要的发电途径，而汽轮机则在其中起到将热能转化为机械能的重要作用[1-4]。汽轮机是重要的原动机之一，它不仅应用于压缩机、泵和高炉风机等旋转设备，而且与锅炉、发电机构成了火力发电的三大主体，源源不断地为工业生产和社会生活提供电力供应。

世界上第1 台汽轮机诞生于19 世纪，而我国第1 台汽轮机诞生于1955 年。随着技术的成熟，我国对汽轮机的研究也越来越多元化。目前，针对汽轮机的研究主要包括机组故障分析、提高机组的自动化水平、耐超高温材料、转子及叶片的振动、提高机组效率和运行水平。

王婵婵等[5]基于汽轮机热耗率模型难以精准预测的问题，提出利用改进的狮群算法和快速学习网综合建模。实验结果表明，改进的狮群算法可以提高汽轮机热耗率的预测精度。吕凯等[6]针对超临界1 000 MW 级燃煤发电机组提出了“汽电双驱”的思路。结果显示，中高负荷段选用纯凝式汽轮机的方案产生的供电煤耗率增加值低于其余方案。曹丽华等[7]研究了平齿汽封、高低齿汽封、侧齿汽封和阻旋齿汽封4 种叶顶汽封腔室内部的泄漏流动特性和涡系相互作用规律。万忠海等[8]深入分析了汽轮机特性参数变化对调节阀流量特性的影响及其规律。罗淇元等[9]利用神经网络法预测汽轮机转子温度随工况的变化规律。夏亚磊等[10]计算了不同支撑刚度下转子轴承振动、轴振和绝对轴振响应特性。研究表明：不同支撑刚度下转子不平衡振动响应差异较大；柔性支撑下，轴承振动较大，轴振较小。

目前针对汽轮机的相关论文数量庞大，单从传统的归纳和阅读进行文献整理和分析存在一些问题，如工作量大、主观性强。随着知识图谱作为科学计量学的新方法和新领域在中国勃然兴起，其以显著的客观性、定量化、模型化的宏观研究优势已获得广泛应用[11-13]。CiteSpace 作为知识图谱绘制软件之一，在农学、地理等其他学科研究中得到广泛应用[14-15]。目前，应用CiteSpace 可视化分析已获得学者们认可。例如：曾子玲分析麦冬研究热点与趋势[16]；赵礼强对共享经济的研究现状进行分析[17]；贾宽宽对茶园土壤酸化研究热点的分析[18]等。因此，本文尝试通过采用CiteSpace 文献计量分析工具[19-20]，基于Web of Science（WOS）数据库2010—2020 年的文献资料进行分析、挖掘、图形呈现来揭示其研究主题演变的过程，绘制知识图谱来展示汽轮机领域的研究现状，以期掌握目前汽轮机相关领域的研究现状，并为后续学者提供启发。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

本文以WOS 数据库作为数据来源，以ISI web of knowledge 作为检索平台。其中，科学引文索引（Science Citaion Index，SCI）作为世界知名的引文常引数据库，包含的学科超过170 个，收录了自然科学、土木工程、生物医学领域内的6 000 余种高质量学术期刊。该数据库收录了世界各学科领域内最优秀的科技期刊，能够从宏观层面反映科学前沿的发展动态。

1.2 数据来源和分析工具

数据样本选取自WOS，标题词检索“汽轮机”，文献类型选择研究论文、研究综述、会议论文，检索日期为2021 年7 月27 日。分析的时间范围为2010—2020 年，分析工具采用WOS 数据库自带分析工具与可视化分析软件CiteSpace 8.5。最终获得2010—2020 年WOS 数据库中“汽轮机”相关研究论文1 559 篇，去重后1 543 篇，以此数据为基础从文献计量学角度分析汽轮机的发展态势。

2 结果与分析

2.1 汽轮机发文量分析

将2010—2020 年WOS 数据库中“汽轮机”相关研究论文按文献发文量进行统计，并绘制曲线，如图1 所示。

图1 汽轮机研究领域发文量Fig.1 Amount of papers issued in the field of steam turbine research

由图1 可知，该领域的发文量在总体上呈波动趋势，其发文量增长情况可分为以下2 个阶段。

1）2010—2017 年（波动期）该期间发文量的波动比较大，且相邻年份发文量变化很大。该时期的汽轮机研究处于多元化，研究领域呈现多样性，如汽轮机转子、叶片的振动、汽缸热应力和故障诊断等。

2）2017—2020 年（下降期）虽然近4 年来，发文量逐渐降低，但整体来看汽轮机领域的发文量保持一个较高的水平。随着电力和节能减排的发展，学者们对汽轮机的研究逐渐全面。尤其近些年，资源匮乏与全球变暖，使得汽轮机及其相关领域的研究受到更多关注。

2.2 汽轮机发文国家、机构及作者分析

2.2.1 汽轮机发文国家分析

不同国家的发文情况反映了该国家对该研究领域关注度[21-22]。本文通过文献计量对汽轮机领域发文量排名前5 的国家进行汇总，结果见表1；同时，进行了可视化节点分析，结果如图2 所示。

图2 国家可视化节点分布Fig.2 National visualization node distribution map

表1 汽轮机研究发文量排名前5 的国家Tab.1 Top 5 countries in terms of volume of steam turbine research publications

由表1 可知，发文量前5 国家分别为中国、德国、美国、英国和捷克共和国。中国发文量第1（频次高达479），表明中国在汽轮机研究领域处于领先且在学术界具有一定的影响力。由图2 可知，中国与德国、美国、英国、捷克共和国等多个国家之间均有合作，其他国家之间也相互紧密合作。

汽轮机相关技术的研究对国家的电力行业和工程机械行业尤为重要。但从表1 分析来看，发达国家占据更多席位。对于发展中国家而言，整体科技水平落后、资金短缺和专业技术人才不足等原因，导致无法支持更多的学术研究。虽然发达国家占据了很多席位，但是中国在汽轮机领域的研究走在最前列，引领整个行业。

2.2.2 机构分析

研究机构的发文量也反映了该机构在该领域的影响力度[23]。2010—2020 年汽轮机领域发文量位居前5 的机构见表2。

表2 汽轮机研究发文量排名前5 的机构Tab.2 Top 5 institutions in the amount of research and publications on steam turbines

由表2 可知：

1）发文量最多的前5 个机构分别为西安交通大学（文献占比4.6%）、西门子股份公司（文献占比3.95%）、上海交通大学（文献占比2.92%）、斯图加特大学（文献占比1.62%）及华北电力大学（文献占比1.49%）。总体上看，研究机构以汽轮机领域高校为主。

2）中国西安交通大学研究实力最高（中心性达到0.06），其次是德国的西门子股份公司。虽然科研机构影响力的高低与其发文量并非成比例关系；但是，较高的发文量在某种程度上会使频次和H 指数增高，从而使机构影响力随之增加。

图3 为科研机构合作网络图谱。由图3 可见，西安交通大学与中国上海交通大学、华北电力大学等多个知名科研机构均有合作关系。

图3 科研机构合作网络图谱Fig.3 Network map of cooperation network of scientific research institutions

2.2.3 作者分析

学者是学术研究和科学研究的主体，所发文章的多少直接体现学者和机构的科研能力[24-26]。本文对2010—2020 年汽轮机领域作者进行图谱分析，结果如图4 所示。发文量越多，图中的节点显示越大。表3 为汽轮机研究发文量排名前5 的作者。由表3 可知，发文量最多的前3 作者分别为JUN LI（17 篇）、LIHUA CAO（16 篇）、YINGZHENG LIU（15 篇）。总体上看，排名前3 的均为中国人。在前5 中，MANFRED WIRSUM 的突变最高（突现度为4.57）；ZHENPING FENG 的中心性最大，表明该学者对于汽轮机的研究具有重要作用。

表3 汽轮机研究发文量排名前5 的作者Tab.3 Top 5 authors of steam turbine research papers

图4 作者合作网络图谱Fig.4 Author’s cooperation network map

2.3 共被引期刊和文献分析

分析共被引文献和期刊，可以帮助学者筛选查阅重要期刊，也能为学者们选择目标期刊投稿与参考文献研究提供有价值的参考[27]。为此，本文通过共被引文献与期刊进行基础概况分析。

2.3.1 共被引文献分析

文章的被引频次在一定程度上反映了人们对该热点的关注程度，同时也体现了该文章在该领域的重要性[26]。2010—2020 年汽轮机研究领域共被引期刊图谱如图5 所示。表4 为汽轮机研究论文中排名前5 的共被引参考文献。由表4 可知，共被引文献频次最高的是Fu J L 于2012 年在《涡轮机械》（J TURBOMACH ）期刊发表的“Unsteady interactions between axial turbine and nonaxisymmetric exhaust hood under different operational conditions”一文[28]。

图5 2010—2020 年汽轮机研究领域共引期刊图谱Fig.5 The map of co-cited journals in the field of steam turbine research from 2010 to 2020

总体上看，在共被引频次前5 文献中，《燃气轮机动力》（J ENG GAS TURB POWER）期刊论文最多（21 篇），占比达42%；其次为《涡轮机械》（J TURBOMACH）期刊。这表明，《燃气轮机动力》（J ENG GAS TURB POWER）期刊在汽轮机领域发展中具有重要作用。

中心性高的节点文献在关键词网络图谱中起着重要的链接和媒介作用。中心性越高，说明其在整个网络中的控制和引导作用就越强。由表4还可见，Fu J L[28]、Burton Z[29]的论文中心性居于前2。

表4 汽轮机研究论文中排名前5 的共被引文献Tab.4 Top 5 of cited references for steam turbine research papers

2.3.2 共被引期刊分析

表5 为汽轮机研究论文排名前5 的共被引期刊。从共被引频次角度来看，在2010—2020 年汽轮机领域中，J ENG GAS TURB POWER 共被引期刊频次最高，占前5 名期刊的26.68%。

表5 汽轮机研究论文排名前5 的共引期刊Tab.5 Top 5 steam turbine research papers co-cited by journals

从期刊影响力角度来看，ENERGY 期刊影响因子是共被引期刊里最高的，说明该期刊在汽轮机研究领域属于顶级权威期刊。关注该期刊，可更好把握汽轮机研究最前沿。

整体上看，在被引频次前5 的期刊中，工程机械方面的期刊最多，其次是能源与燃料，由此说明汽轮机的研究不仅是机械方面的问题，也是能源方面问题。

通过中心性节点可以更好地说明，工程机械方面的期刊中心性均较高，例如J ENG GAS TURB POWER 中心性达0.22。工程机械方向的期刊半衰期最长，说明该期刊对于汽轮机领域的研究指引性较强。

2.4 研究热点分析

通过研究大量该领域近10 年的文献，辨别该领域研究热点和前沿，进而预测该领域未来的研究方向与热点话题。为此，本文通过分析学科领域研究方向和关键词来研究汽轮机的热点。

2.4.1 学科领域研究方向

2010—2020 年汽轮机研究论文学科领域研究方向图谱如图6 所示，排名前6 的研究方向见表6。

表6 汽轮机研究论文学科领域排名前6 的研究方向Tab.6 Top 6 research fields of steam turbine research papers

图6 2010—2020 年汽轮机研究论文学科领域研究方向图谱Fig.6 The research direction map of steam turbine research papers from 2010 to 2020

由图6 和表6 可知，频次较高的是工程学，其次是工程与机械学，说明汽轮机的研究领域主要集中在工程应用和旋转机械2 个方面。由表6 可知：工程学的中心性节点最高，其次是材料科学方向；大部分研究集中于热力学、材料、机械学和力学等领域，这表明汽轮机的相关研究呈现多样性和多元化。

2.4.2 关键词分析

关键词聚类的分析有助于发现汽轮机领域的相关研究热点[30-31]。本文采用对数似然比（log likelihood ratio，LLR）算法对关键词进行了聚类分析，结果如图7 所示。聚类编号0—6，数字越小，则该聚类下的文献研究规模越大。这些文献大体可以分为汽轮机机械结构优化和性能故障分析。这表明目前汽轮机技术主要集中在油系统故障、汽轮机叶片故障、汽轮机异常振动和优化通流设计。

图7 2010—2020 年汽轮机关键词聚类图谱Fig.7 The cluster map of steam turbine keywords from 2010 to 2020

为便于分析关键词的具体内容，筛选出排名前15 的高频关键词，结果见表7。出现频次最高的关键词为汽轮机（326 次）；其次，性能优化（84 次）和流动分别位列第3 和第4。总的来看，当前世界除对汽轮机及其性能和故障分析关注外，也对汽轮机的通流设计优化也较为重视。在研究内容上，词频超过80 的关键词当中，研究范围较为明确，内容较为具体，主要分为故障和性能分析、优化通流设计和转子以及叶片的振动及疲劳3 方面。

表7 汽轮机研究论文排名前15 的关键词分析Tab.7 Top 15 rankings of key word analysis of steam turbine research papers

CiteSpace 具有突现词的探测功能，例如突现词（Bursts）。该词是指某些年份发表文献中骤增的专业术语，适合表征研究前沿发展趋势[32]。对突现词及其骤增时间分析，并按强度排序，结果如图8 所示。2010—2020 年，汽轮机领域进入高度活跃期，涌现出高强度突现词“故障诊断（fault diagnosis）”。可见，故障诊断是汽轮机早期研究的热点。但是，由于汽轮机在作业时经常出现各种故障，会带来巨大的经济损失和危害，因此故障分析也一直是研究的热点。近10 年来，随着科技的发展，汽轮机领域研究的热点和研究方向由单一的故障分析向多元化转变，如优化结构设计、优化通流设计和转子及叶片的振动和疲劳。