基于CiteSpace 的汽輪機研究進展分析

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電作為主要的發電途徑，而汽輪機則在其中起到將熱能轉化為機械能的重要作用[1-4]。汽輪機是重要的原動機之一，它不僅應用于壓縮機、泵和高爐風機等旋轉設備，而且與鍋爐、發電機構成了火力發電的三大主體，源源不斷地為工業生產和社會生活提供電力供應。

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

王嬋嬋等[5]基于汽輪機熱耗率模型難以精準預測的問題，提出利用改進的獅群算法和快速學習網綜合建模。實驗結果表明，改進的獅群算法可以提高汽輪機熱耗率的預測精度。呂凱等[6]針對超臨界1 000 MW 級燃煤發電機組提出了“汽電雙驅”的思路。結果顯示，中高負荷段選用純凝式汽輪機的方案產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、側齒汽封和阻旋齒汽封4 種葉頂汽封腔室內部的泄漏流動特性和渦系相互作用規律。萬忠海等[8]深入分析了汽輪機特性參數變化對調節閥流量特性的影響及其規律。羅淇元等[9]利用神經網絡法預測汽輪機轉子溫度隨工況的變化規律。夏亞磊等[10]計算了不同支撐剛度下轉子軸承振動、軸振和絕對軸振響應特性。研究表明：不同支撐剛度下轉子不平衡振動響應差異較大；柔性支撐下，軸承振動較大，軸振較小。

目前針對汽輪機的相關論文數量龐大，單從傳統的歸納和閱讀進行文獻整理和分析存在一些問題，如工作量大、主觀性強。隨著知識圖譜作為科學計量學的新方法和新領域在中國勃然興起，其以顯著的客觀性、定量化、模型化的宏觀研究優勢已獲得廣泛應用[11-13]。CiteSpace 作為知識圖譜繪制軟件之一，在農學、地理等其他學科研究中得到廣泛應用[14-15]。目前，應用CiteSpace 可視化分析已獲得學者們認可。例如：曾子玲分析麥冬研究熱點與趨勢[16]；趙禮強對共享經濟的研究現狀進行分析[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 文獻計量分析工具[19-20]，基于Web of Science（WOS）數據庫2010—2020 年的文獻資料進行分析、挖掘、圖形呈現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領域的研究現狀，以期掌握目前汽輪機相關領域的研究現狀，并為后續學者提供啟發。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

本文以WOS 數據庫作為數據來源，以ISI web of knowledge 作為檢索平臺。其中，科學引文索引（Science Citaion Index，SCI）作為世界知名的引文常引數據庫，包含的學科超過170 個，收錄了自然科學、土木工程、生物醫學領域內的6 000 余種高質量學術期刊。該數據庫收錄了世界各學科領域內最優秀的科技期刊，能夠從宏觀層面反映科學前沿的發展動態。

1.2 數據來源和分析工具

數據樣本選取自WOS，標題詞檢索“汽輪機”，文獻類型選擇研究論文、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 數據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 數據庫中“汽輪機”相關研究論文1 559 篇，去重后1 543 篇，以此數據為基礎從文獻計量學角度分析汽輪機的發展態勢。

2 結果與分析

2.1 汽輪機發文量分析

將2010—2020 年WOS 數據庫中“汽輪機”相關研究論文按文獻發文量進行統計，并繪制曲線，如圖1 所示。

圖1 汽輪機研究領域發文量Fig.1 Amount of papers issued in the field of steam turbine research

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

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

2）2017—2020 年（下降期）雖然近4 年來，發文量逐漸降低，但整體來看汽輪機領域的發文量保持一個較高的水平。隨著電力和節能減排的發展，學者們對汽輪機的研究逐漸全面。尤其近些年，資源匱乏與全球變暖，使得汽輪機及其相關領域的研究受到更多關注。

2.2 汽輪機發文國家、機構及作者分析

2.2.1 汽輪機發文國家分析

不同國家的發文情況反映了該國家對該研究領域關注度[21-22]。本文通過文獻計量對汽輪機領域發文量排名前5 的國家進行匯總，結果見表1；同時，進行了可視化節點分析，結果如圖2 所示。

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

表1 汽輪機研究發文量排名前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。中國發文量第1（頻次高達479），表明中國在汽輪機研究領域處于領先且在學術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。

汽輪機相關技術的研究對國家的電力行業和工程機械行業尤為重要。但從表1 分析來看，發達國家占據更多席位。對于發展中國家而言，整體科技水平落后、資金短缺和專業技術人才不足等原因，導致無法支持更多的學術研究。雖然發達國家占據了很多席位，但是中國在汽輪機領域的研究走在最前列，引領整個行業。

2.2.2 機構分析

研究機構的發文量也反映了該機構在該領域的影響力度[23]。2010—2020 年汽輪機領域發文量位居前5 的機構見表2。

表2 汽輪機研究發文量排名前5 的機構Tab.2 Top 5 institutions in the amount of research and publications on steam turbines

由表2 可知：

1）發文量最多的前5 個機構分別為西安交通大學（文獻占比4.6%）、西門子股份公司（文獻占比3.95%）、上海交通大學（文獻占比2.92%）、斯圖加特大學（文獻占比1.62%）及華北電力大學（文獻占比1.49%）。總體上看，研究機構以汽輪機領域高校為主。

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

圖3 為科研機構合作網絡圖譜。由圖3 可見，西安交通大學與中國上海交通大學、華北電力大學等多個知名科研機構均有合作關系。

圖3 科研機構合作網絡圖譜Fig.3 Network map of cooperation network of scientific research institutions

2.2.3 作者分析

學者是學術研究和科學研究的主體，所發文章的多少直接體現學者和機構的科研能力[24-26]。本文對2010—2020 年汽輪機領域作者進行圖譜分析，結果如圖4 所示。發文量越多，圖中的節點顯示越大。表3 為汽輪機研究發文量排名前5 的作者。由表3 可知，發文量最多的前3 作者分別為JUN LI（17 篇）、LIHUA CAO（16 篇）、YINGZHENG LIU（15 篇）。總體上看，排名前3 的均為中國人。在前5 中，MANFRED WIRSUM 的突變最高（突現度為4.57）；ZHENPING FENG 的中心性最大，表明該學者對于汽輪機的研究具有重要作用。

表3 汽輪機研究發文量排名前5 的作者Tab.3 Top 5 authors of steam turbine research papers

圖4 作者合作網絡圖譜Fig.4 Author’s cooperation network map

2.3 共被引期刊和文獻分析

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

2.3.1 共被引文獻分析

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

圖5 2010—2020 年汽輪機研究領域共引期刊圖譜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 文獻中，《燃氣輪機動力》（J ENG GAS TURB POWER）期刊論文最多（21 篇），占比達42%；其次為《渦輪機械》（J TURBOMACH）期刊。這表明，《燃氣輪機動力》（J ENG GAS TURB POWER）期刊在汽輪機領域發展中具有重要作用。

中心性高的節點文獻在關鍵詞網絡圖譜中起著重要的鏈接和媒介作用。中心性越高，說明其在整個網絡中的控制和引導作用就越強。由表4還可見，Fu J L[28]、Burton Z[29]的論文中心性居于前2。

表4 汽輪機研究論文中排名前5 的共被引文獻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 年汽輪機領域中，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研究領域屬于頂級權威期刊。關注該期刊，可更好把握汽輪機研究最前沿。

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

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

2.4 研究熱點分析

通過研究大量該領域近10 年的文獻，辨別該領域研究熱點和前沿，進而預測該領域未來的研究方向與熱點話題。為此，本文通過分析學科領域研究方向和關鍵詞來研究汽輪機的熱點。

2.4.1 學科領域研究方向

2010—2020 年汽輪機研究論文學科領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 汽輪機研究論文學科領域排名前6 的研究方向Tab.6 Top 6 research fields of steam turbine research papers

圖6 2010—2020 年汽輪機研究論文學科領域研究方向圖譜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，其次是工程與機械學，說明汽輪機的研究領域主要集中在工程應用和旋轉機械2 個方面。由表6 可知：工程學的中心性節點最高，其次是材料科學方向；大部分研究集中于熱力學、材料、機械學和力學等領域，這表明汽輪機的相關研究呈現多樣性和多元化。

2.4.2 關鍵詞分析

關鍵詞聚類的分析有助于發現汽輪機領域的相關研究熱點[30-31]。本文采用對數似然比（log likelihood ratio，LLR）算法對關鍵詞進行了聚類分析，結果如圖7 所示。聚類編號0—6，數字越小，則該聚類下的文獻研究規模越大。這些文獻大體可以分為汽輪機機械結構優化和性能故障分析。這表明目前汽輪機技術主要集中在油系統故障、汽輪機葉片故障、汽輪機異常振動和優化通流設計。

圖7 2010—2020 年汽輪機關鍵詞聚類圖譜Fig.7 The cluster map of steam turbine keywords from 2010 to 2020

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

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

CiteSpace 具有突現詞的探測功能，例如突現詞（Bursts）。該詞是指某些年份發表文獻中驟增的專業術語，適合表征研究前沿發展趨勢[32]。對突現詞及其驟增時間分析，并按強度排序，結果如圖8 所示。2010—2020 年，汽輪機領域進入高度活躍期，涌現出高強度突現詞“故障診斷（fault diagnosis）”。可見，故障診斷是汽輪機早期研究的熱點。但是，由于汽輪機在作業時經常出現各種故障，會帶來巨大的經濟損失和危害，因此故障分析也一直是研究的熱點。近10 年來，隨著科技的發展，汽輪機領域研究的熱點和研究方向由單一的故障分析向多元化轉變，如優化結構設計、優化通流設計和轉子及葉片的振動和疲勞。

圖82010 —2020年前10位突現詞Fig.8 Top 10 emerging keywords from 2010 to 2020

3 未來汽輪機發展趨勢

通過對大量的汽輪機相關文獻的學科分類和關鍵詞分析，得到未來汽輪機發展趨勢如下：

1）研發更耐高溫材料（700 ℃以上），增大單機功率，提高蒸汽參數，優化通流設計，提高機組效率。

2）發展大型熱電聯產機組，提高電站熱力循環效率。

3）隨著蒸汽參數的提高，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一步研究。

4 結論

通過對汽輪機相關文獻的統計與分析，對其結果進行如下總結：

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

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

3）通過對大量的汽輪機相關文獻的學科分類和關鍵詞分析發現，汽輪機的相關研究方向不局限于汽輪機的效率及故障診斷，同時也涉及多方面，如汽輪機的轉子、葉片、蒸汽的流動性等。隨著科技的進步，未來汽輪機領域在汽輪機材料、熱電聯產、提高蒸汽參數等方面具有可拓展性。