初代蒸汽机结构非常简单，首先是一个烧煤炭的锅炉为气缸提供热蒸汽，锅炉与上方的气缸相连，中间是阀门，命名为一号阀门。气缸的形状就像一根直径很大的钢管，一头开口，另一头与锅炉相连。气缸的内部有倒T字形活塞，上面和杠杆相连，杠杆则和另一侧的配重与曲柄轴相连。气缸的上部还有一个孔，这个孔和高于气缸的水箱相连，两者之间有阀门，命名为二号阀门。
锅炉烧热产生热蒸汽，匠郎打开一号阀门，热蒸汽推动气缸内的活塞向上升起，在活塞升到一定位置后，水箱孔就处在活塞下部，这时候匠郎关闭一号阀门，打开二号阀门，水箱内的冷水使气缸降温，活塞落下，这样就完成了一个做功循环。
这样的初级蒸汽机做功还是十分缓慢，而且二号阀门匠郎很难确保水流大小，影响第二次做功。不过匠郎很快做出了改进，他们将一号和二号阀门连接在杠杆之上，使得手动蒸汽机变成了全自动蒸汽机，这样的改进之后，初代蒸汽机以十五秒左右一个轮回做功。
这么慢，这么无力的机器，不要说拖动几十吨的车厢，就是用来造锻锤都不可能。
不过初代蒸汽机无人自动做功的景象刺激了格物院的一众匠郎，有了成功的案例，众人坚定了心中的信念，开始对初代蒸汽机进行改良。
首先，最简单也是最容易发现的问题——漏气，锅炉和气缸连接处，气缸和活塞连接处，那么明显的问题匠郎第一时间找到了更正的办法。
法兰被工匠发明了出来，只不过是连体的，还有着刘备的提醒。匠郎在打造时直接把连接处弯折九十度，而后在弯折的一圈上打上眼，连体法兰就做成了（连接螺丝手工打造）。
有了法兰就不会担心各部件损坏问题，以前阀门坏了锅炉、气缸都要全部更换，现在只要哪里坏换哪里。法兰解决的是连续运行的成本问题，漏气没能改善多少，反而法兰连接处又增加了漏气问题。
这时候格物院织造部的郎中黄月英给出了解决办法，就是诸葛亮的妻子。放开妇女限制这个最有效提升劳力的手段刘备怎么可能放弃，那可是百分百提升劳力。刘备登基后不但没有解除蔡皇后东观令的职务，还让蔡皇后和糜贵人同时管理国家福利部门（如慈幼局），同时在一些部门引进女官，早期最多的是工部太医令，还有格物院织造部。
织造部主管织造器械的改良还有衣服款式设计等工作，黄月英一直对发明器械很感兴趣，她征得诸葛亮同意后加入了格物院，很快成为制造部一把手，而且她的知识点不仅限于织造，她还和诸葛亮一起研制了木牛流马，帮助山区百姓的出行。
黄月英造出了法兰所需的垫片，他用铜圈作为主体，铜圈两侧加入了浸油的石棉，并在最外层加了一层丝绸，完美解决法兰漏气问题。
法兰是不漏气了，但气缸内的活塞却是个大问题。气缸壁和活塞的主体材质都是钢铁，钢铁材质过硬，两者相互摩擦会延缓活塞运动的速度，也加大了所需的蒸汽力量。空开气缸壁和活塞就可以解决摩擦问题，但如果两者之间的间隙过大就会有漏气问题。
气缸内的高温使得普通的软性物件根本不可能堵塞气缸壁和活塞之间的空隙，用不了多久软性物件就会损坏。
还是黄月英解决了这个问题（不是一个人，她身边有许多女匠郎帮忙），她打造了一个中间带有凹槽的活塞，这个活塞远离气缸壁，这样就不会有摩擦问题。而后她在凹槽内装上了一个铜圈，铜的材质比较软，摩擦系数比较低，蒸汽推动活塞不需要太大的力。
漏气问题得到解决，蒸汽机一个轮回一下缩短了7、8秒，向实用化迈进了一大步。
其实这时候的蒸汽机已经可以使用，炼钢厂也确实开始用它推动风箱，不过蒸汽机的耗煤十分惊人。
在使用蒸汽机的途中炼钢厂又发现了蒸汽机的另一个问题——注水，蒸汽机锅炉内的水烧干后，工人向锅炉加入冷水十分容易引发锅炉壁破裂。
老黑头，也就是发明白云耐火砖的白老解决了这个问题，其实很简单，他在锅炉外侧又加了一层，使得锅炉壁内外都有水。这样锅炉内产生热蒸汽，壁体上残余的热量也得到了利用，而后用锅炉壁外部的水补充锅炉内部。
只是白老的这个解决办法反而把蒸汽机的效率降低了一些，又从7、8秒进化为10秒。最后只能拆了外层，工人另外烧热水后加入锅炉。
白老不甘心失败，他想到工人取外层水的时候水也是热得冒蒸汽，这种情况给了白老灵感。他想到了当年打铁淬火的现象，一根热铁棒也能使水沸腾，于是他经过多次试验，改造了锅炉燃烧室的结构。
白老将原本底部燃烧的位置连在一根钢管上，并将钢管穿过锅炉上部的水箱，利用燃烧室的热风通过钢管，这样整根钢管都在加热锅炉中的水，热效率提升，水蒸气加速生成。
同时白老将钢管加长，钢管内热风残余的热量加热另一个水箱，这个水箱内的水就是补充锅炉的，一次解决了两个难题。白老这个发明使得增加效率成为肉眼可见，只要在锅炉水箱内再多加钢管就能加速蒸汽产生。
之后一段时间，匠郎又发现钢管越小蒸汽产生越快，于是一个燃烧室加好几根细钢管成为锅炉标配。刘备表彰白老和黄月英的功绩，晋升他们为子爵，爵位可以由子孙继承。白老的发明有也被命名为白氏锅炉，其实它还有另一个名称——火管锅炉。
今天刘备和张飞等人看到的实验就是最终定型的蒸汽机，它完美的运行了，一次轮回做功一度只需要两秒钟，最终稳定在三秒。
张飞在意的是它动不动，刘备和匠郎们在意的是它的速度还有力度。
事实证明这个蒸汽机很成功，它一次就带动了高炉炼铁所需的所有风箱，刘备已经开始展望以后美好的未来了。