蒸汽机有两种常见形式：往复式（活塞式）和旋转式（蒸汽轮机）。 通常，“蒸汽引擎”通常是指往复式。 但是，它们都是蒸汽发动机，并且都使用兰金循环。

我们之前在《秒懂什么是双膨胀发动机》中给大家已经介绍了双膨胀发动机的相关知识，

双膨胀发动机，简单的说就是将汽缸分为高（中）压汽缸和低压汽缸两类，然后让蒸汽分别在高压汽缸和低压汽缸中分两次进行膨胀做功。

为了从低压蒸汽中获得相等的功（膨胀降温），需要更大的气缸容积。 因此，在低压缸中，缸孔（通常是冲程）增加，从而导致缸体变大。这样一来，双膨胀发动机就有一个尺寸相对很小的高压汽缸和一个尺寸相对很大（约近乎一倍，取决于蒸汽温度和压力降低的幅度）的低压汽缸。这对发动机往复运动的平衡系统带来了极大的挑战。

为此，为了更易于平衡，一般将“大尺寸”的低压气缸分为两个尺寸相同的“小” 气缸，这样就使得这2个低压气缸尺寸与1个高压汽缸（活塞直径）大致相同，3汽缸布局使得发动机平衡难度大大简化和降低。

尽管这种复合式蒸汽机效率相对较高，但体积特别庞大，因此并不适用于空间受到限制的机车等行业，但是对于积极相对庞大的船体，从19世纪80年代开始普遍采用，当然更适合于陆地固定电站用。

此外，这种类型的船用发动机至关重要，由于锅炉无法使用海水，因此船用锅炉只能采用“闭式循环”，即将蒸汽排到冷凝器中液化后将淡水回收利用，从而为无法使用海水的锅炉供能。 而陆用蒸汽机就没有淡水紧缺这一限制，可以采用开式循环系统，直接将蒸汽随烟囱排入大气中。 

英国海军首次尝试以蒸汽机驱动大型舰艇是在1861年，海军在这一年建造战列舰“勇士”号的排水量高达9210吨。

 “勇士”号的动力系统优点众多，但是缺点依旧，某些缺点是蒸汽机诞生至今也遗传至今的。“勇士”号主机的筒状汽缸和活塞的密闭程度依然不够，活塞和桶壁的缝隙很容易导致蒸汽无谓的大量流失，损耗大量的热量。这个问题取决于加工设备的精确度，需要等待各种精密加工设备进一步发展才有望解决，这绝非一朝一夕之功。此外，基于蒸汽机本身设计上的问题，由于活塞运动本身的特性，蒸汽机汽缸的活塞整日与缸壁摩擦运作，曲柄的衔接部分也同样整天工作，这导致了磨损问题成了蒸汽机在工作中的家常便饭，也使得蒸汽主机的日常维护工作相对繁琐，需要耗费大量人力来完成。基于运用成本方面的问题，蒸汽船的出现地点暂时还只限于海军。

在19世纪后半叶，变化是无时无刻都存在的。19世纪60年代，正是机械加工技术出现飞跃性进步的年代，亦是上面所说的有望解决加工问题的契机出现的年代。金属车床、自调节车床、牛头刨床等一系列工作母机的诞生使机械加工精确度越来越高，也使得复杂设备之间的微小契合和密封逐渐变成可能。机械加工技术的进步造成了一系列的改变，不仅机械设计上的僵局被解开了，大量以更高效率被建造出来的机械和蒸汽机，其生产成本也被大幅度降低了，而矿山的机械化也进一步降低了煤炭和金属矿石的价格。蒸汽机得到了发展，也开始被普及。

顺应着时代的发展，名为复胀式蒸汽机的新式主机诞生了。

单动到双动的转变曾是瓦特对蒸汽机的重大改良之一，即利用阀门从活塞的两端引入蒸汽驱动活塞，更为有效的利用了蒸汽。在锅炉还很原始的那个年代，经过这么一次动作之后，温度略高于沸点的蒸汽便会降温到了沸点，接近冷凝状态的蒸汽不再具备做功的价值，而需要通过冷凝器重新凝结成水，补充回锅炉内。

随着机械加工技术和金属制造业的进步，锅炉亦在和蒸汽机一起同步发展。在19世纪70年代初，锅炉的工作压力已经从最初的20磅/平方英寸（  磅/平方英寸是0.1786kg/cm^2 ）提高到了120磅/平方英寸，进而达到了150磅/平方英寸以上，差不多是10个大气压力的程度，而蒸汽温度也提升到了接近200 ℃ 。如此高压的蒸汽，在推动了一次活塞动作之后，仍旧能保持着很高的温度，如果将这些蒸汽直接转入冷凝器，将会是能量上的巨大浪费。更重要的一点就是，不论浪费与否，而论能否解决远洋航运的一大困扰，就是很难携带足够的燃料以获得持久的续航能力。

到了19世纪中期，船用锅炉仅能生产1.75kg/cm2压力的蒸汽，1860年前后新设的锅炉可产生压力为3.5-4.2kg/cm2的蒸汽，使得复式蒸汽机进入了实用阶段。

于是，工程师们相到了设计二级膨胀主机，即将两个汽缸串联，来自于锅炉的高温蒸汽首先进入第一个汽缸做功，然后经过串联的蒸汽管道排入下一个汽缸，继续推动第二个活塞运动，然后再将充分利用后的蒸汽导入冷凝器内还原成水送回锅炉。

1853年，苏格兰工程师埃尔德（John Elder）申请了新型船用蒸汽机的专利。该机可以在一个循环过程中做功2次。蒸汽在高压缸做功之后，再到容积更大的低压缸，消耗热能产生动能，然后至冷凝器冷却凝结成热水，最后再回到锅炉。这就是两次膨胀的往复式蒸汽机（Compound Steam Engine），这种双膨胀式蒸汽机比过去的单膨胀机可节省燃料30%，而且蒸汽参数更高，可发出更大的功率。

设计这种蒸汽机的原始目的是为了建造跨大西洋航行的高速邮船。1878年，搭载着复胀式直列蒸汽机的“彩虹”号和“水星”号邮船下水，并在试航中实现了高达20节的航速。

英国海军也从中得到启发， 率先于1874年才第一次使用复胀式直列蒸汽机，取代了1855年下水的装有一台双缸蒸汽机的“机敏号”上。

而在1876年美国费城世博会上，美国工程师考里斯（Corliss）向世博会捐赠了世界最大的1400马力蒸汽机，重56吨。比肩耸立的双汽缸高14米，巨型飞轮直径9.1米。这仍是普通的单胀式双缸蒸汽机，带着飞轮始终以每分钟36转的速率“静悄悄”运行。

随后在海军的资助下，复胀式蒸汽机进一步升级成了三胀式，从一组工作压力可达200磅/平方英寸的锅炉引来的高温高压蒸汽可以在驱动高、中、低三个不同工作温度的汽缸后才被冷凝成水，而三胀式蒸汽机对蒸汽压力的利用率也实现了最大化。

在这个时期，海军已经全面进入了蒸汽铁甲时代。1880年，海军上将级战列舰的首舰“科林伍德”号下水，装有2套汉弗莱公司生产的倒置式三胀往复式蒸汽机，输出功率11500马力，试航时达到过16.5节的航速。所谓的“三胀”就如前所述，无非是在复胀的基础上增加了一级气缸，而所谓的“倒置”是指早期立式蒸汽机相反，汽缸是安装在曲柄上方的呈倒置状态安装的。 

到1890年代，三膨胀蒸汽机已成为陆地和海洋上的主要原动力。

三胀式蒸汽机是传统的往复蒸汽机的巅峰之作。在这以后，船用往复式蒸汽机的式样和工作原理被基本统一了下来，在其后虽然也有一些小的改进，比如说，但总的来说，直到第二次世界大战时期还大量安装在护航舰、辅助巡洋舰、扫雷舰里的那些采用三胀式蒸汽机，和它们大约半个世纪前的原型相比并没有太大的变化。 

五十年来，改进一直稳步推进该设计：压力增加到250 psi，引入了过热（ superheat ），三重膨胀（ triple-expansion ）变成了四重膨胀（ quadruple expansion ）等。在1908~1909期间建造的米诺陶级巡洋舰上，采用了滑油式冷凝散热系统。蒸汽发动机的最后一项重大改进是采用了单流布置（ the uniflow arrangement ），其中蒸汽在热端进入气缸并在冷却器中心排出，从而减少了气缸壁的相对加热和冷却。