初代蒸汽機結構非常簡單，首先是一個燒煤炭的鍋爐為氣缸提供熱蒸汽，鍋爐與上方的氣缸相連，中間是閥門，命名為一號閥門。氣缸的形狀就像一根直徑很大的鋼管，一頭開口，另一頭與鍋爐相連。氣缸的內部有倒T字形活塞，上面和杠桿相連，杠桿則和另一側的配重與曲柄軸相連。氣缸的上部還有一個孔，這個孔和高于氣缸的水箱相連，兩者之間有閥門，命名為二號閥門。
鍋爐燒熱產生熱蒸汽，匠郎打開一號閥門，熱蒸汽推動氣缸內的活塞向上升起，在活塞升到一定位置后，水箱孔就處在活塞下部，這時候匠郎關閉一號閥門，打開二號閥門，水箱內的冷水使氣缸降溫，活塞落下，這樣就完成了一個做功循環。
這樣的初級蒸汽機做功還是十分緩慢，而且二號閥門匠郎很難確保水流大小，影響第二次做功。不過匠郎很快做出了改進，他們將一號和二號閥門連接在杠桿之上，使得手動蒸汽機變成了全自動蒸汽機，這樣的改進之后，初代蒸汽機以十五秒左右一個輪回做功。
這么慢，這么無力的機器，不要說拖動幾十噸的車廂，就是用來造鍛錘都不可能。
不過初代蒸汽機無人自動做功的景象刺激了格物院的一眾匠郎，有了成功的案例，眾人堅定了心中的信念，開始對初代蒸汽機進行改良。
首先，最簡單也是最容易發現的問題——漏氣，鍋爐和氣缸連接處，氣缸和活塞連接處，那么明顯的問題匠郎第一時間找到了更正的辦法。
法蘭被工匠發明了出來，只不過是連體的，還有著劉備的提醒。匠郎在打造時直接把連接處彎折九十度，而后在彎折的一圈上打上眼，連體法蘭就做成了。
有了法蘭就不會擔心各部件損壞問題，以前閥門壞了鍋爐、氣缸都要全部更換，現在只要哪里壞換哪里。法蘭解決的是連續運行的成本問題，漏氣沒能改善多少，反而法蘭連接處又增加了漏氣問題。
這時候格物院織造部的郎中黃月英給出了解決辦法，就是諸葛亮的妻子。放開婦女限制這個最有效提升勞力的手段劉備怎么可能放棄，那可是百分百提升勞力。劉備登基后不但沒有解除蔡皇后東觀令的職務，還讓蔡皇后和糜貴人同時管理國家福利部門，同時在一些部門引進女官，早期最多的是工部太醫令，還有格物院織造部。
織造部主管織造器械的改良還有衣服款式設計等工作，黃月英一直對發明器械很感興趣，她征得諸葛亮同意后加入了格物院，很快成為制造部一把手，而且她的知識點不僅限于織造，她還和諸葛亮一起研制了木牛流馬，幫助山區百姓的出行。
黃月英造出了法蘭所需的墊片，他用銅圈作為主體，銅圈兩側加入了浸油的石棉，并在最外層加了一層絲綢，完美解決法蘭漏氣問題。
法蘭是不漏氣了，但氣缸內的活塞卻是個大問題。氣缸壁和活塞的主體材質都是鋼鐵，鋼鐵材質過硬，兩者相互摩擦會延緩活塞運動的速度，也加大了所需的蒸汽力量。空開氣缸壁和活塞就可以解決摩擦問題，但如果兩者之間的間隙過大就會有漏氣問題。
氣缸內的高溫使得普通的軟性物件根本不可能堵塞氣缸壁和活塞之間的空隙，用不了多久軟性物件就會損壞。
還是黃月英解決了這個問題，她打造了一個中間帶有凹槽的活塞，這個活塞遠離氣缸壁，這樣就不會有摩擦問題。而后她在凹槽內裝上了一個銅圈，銅的材質比較軟，摩擦系數比較低，蒸汽推動活塞不需要太大的力。
漏氣問題得到解決，蒸汽機一個輪回一下縮短了7、8秒，向實用化邁進了一大步。
其實這時候的蒸汽機已經可以使用，煉鋼廠也確實開始用它推動風箱，不過蒸汽機的耗煤十分驚人。
在使用蒸汽機的途中煉鋼廠又發現了蒸汽機的另一個問題——注水，蒸汽機鍋爐內的水燒干后，工人向鍋爐加入冷水十分容易引發鍋爐壁破裂。
老黑頭，也就是發明白云耐火磚的白老解決了這個問題，其實很簡單，他在鍋爐外側又加了一層，使得鍋爐壁內外都有水。這樣鍋爐內產生熱蒸汽，壁體上殘余的熱量也得到了利用，而后用鍋爐壁外部的水補充鍋爐內部。
只是白老的這個解決辦法反而把蒸汽機的效率降低了一些，又從7、8秒進化為10秒。最后只能拆了外層，工人另外燒熱水后加入鍋爐。
白老不甘心失敗，他想到工人取外層水的時候水也是熱得冒蒸汽，這種情況給了白老靈感。他想到了當年打鐵淬火的現象，一根熱鐵棒也能使水沸騰，于是他經過多次試驗，改造了鍋爐燃燒室的結構。
白老將原本底部燃燒的位置連在一根鋼管上，并將鋼管穿過鍋爐上部的水箱，利用燃燒室的熱風通過鋼管，這樣整根鋼管都在加熱鍋爐中的水，熱效率提升，水蒸氣加速生成。
同時白老將鋼管加長，鋼管內熱風殘余的熱量加熱另一個水箱，這個水箱內的水就是補充鍋爐的，一次解決了兩個難題。白老這個發明使得增加效率成為肉眼可見，只要在鍋爐水箱內再多加鋼管就能加速蒸汽產生。
之后一段時間，匠郎又發現鋼管越小蒸汽產生越快，于是一個燃燒室加好幾根細鋼管成為鍋爐標配。劉備表彰白老和黃月英的功績，晉升他們為子爵，爵位可以由子孫繼承。白老的發明有也被命名為白氏鍋爐，其實它還有另一個名稱——火管鍋爐。
今天劉備和張飛等人看到的實驗就是最終定型的蒸汽機，它完美的運行了，一次輪回做功一度只需要兩秒鐘，最終穩定在三秒。
張飛在意的是它動不動，劉備和匠郎們在意的是它的速度還有力度。
事實證明這個蒸汽機很成功，它一次就帶動了高爐煉鐵所需的所有風箱，劉備已經開始展望以后美好的未來了。