Une machine à vapeur fixe utilise la puissance de la vapeur pour entraîner des instruments autres qu’eux-mêmes. Ils étaient généralement utilisés pour alimenter des ponts, des barrières, des moulins et des machines d’usine. Des modèles ultérieurs ont été utilisés pour produire de l’électricité. De tels moteurs fonctionnent à partir d’une position fixe et ne sont pas utilisés comme modes de transport, bien que certains aient été utilisés pour entraîner des roues sur des navires à vapeur.
Les moteurs à vapeur de base fonctionnent lorsque de la vapeur à haute pression est autorisée dans un cylindre. Ce cylindre a un piston qui est poussé dans une direction par la vapeur, expulsant la vapeur d’échappement refroidie d’un évent et créant un mouvement à travers la tige de piston. Ce mouvement déplace les roues d’un train à vapeur, poussant le moteur vers l’avant. De tels moteurs poussent le piston dans un sens, puis dans l’autre en alternant l’extrémité du cylindre dans laquelle la vapeur pénètre.
La première machine à vapeur stationnaire a été inventée par Thomas Savery, puis améliorée par son compatriote anglais Thomas Newcomen et l’écossais James Watt. En 1698, Savery a inventé une machine à vapeur qui pomperait l’eau d’une mine de charbon de Cornouailles. Sa conception de base a été améliorée aux XVIIIe et XIXe siècles, mais a été remplacée par l’électricité et le moteur à combustion au XXe.
En 1705, Newcomen a inventé le premier moteur à faisceau. Cette machine à vapeur stationnaire utilisait une poutre pivotante liée à un piston-cylindre vertical en dessous. Watt, entre autres, a amélioré le moteur en ajoutant un compresseur. Le moteur à poutre servait principalement à pomper l’eau et à faire fonctionner les roues du moulin. Il a également été utilisé sur les navires à vapeur.
Une variante de courte durée du moteur immobile était le moteur de table. Ce moteur était similaire au moteur à faisceau, mais reposait sur une base de table et était relié à un volant d’inertie via une bielle et une traverse. James Sadler a inventé le moteur et l’a utilisé à Portsmouth Block Mills. Comparé aux autres moteurs, il était à la fois lent et faible.
George Henry Corliss, un Américain, a ajouté des vannes rotatives à l’idée de base du moteur à vapeur fixe pour créer le moteur Corliss. Construit pour la première fois en 1848, le Corliss permettait un calage variable dans le fonctionnement de ses soupapes. Il était principalement utilisé pour le puits dans les usines et la production d’électricité à l’aide de dynamos, car il était très économe en carburant.
En 1828, James Perkins a développé le moteur Uniflow qui utilisait un demi-cylindre et permettait au piston de se déplacer dans une seule direction. Comme les gaz d’échappement et la vapeur de carburant pénétraient toujours dans leurs mêmes extrémités respectives du cylindre, cela a conduit à une efficacité thermique accrue. L’Uniflow a été adapté pour divers moteurs à vapeur, mais a été principalement utilisé pour produire de l’électricité.
L’inventeur britannique James Hornblower a créé le premier moteur à vapeur stationnaire composé en 1781. Il a estimé que si l’énergie et l’action peuvent être générées à partir de vapeur sous pression dans un cylindre, la même vapeur pourrait être déplacée dans un autre cylindre pour générer plus de puissance. Hornblower a construit des moteurs où il y avait au moins deux cylindres et chaque piston après le premier a réagi à une pression plus basse.