Prvi zabeleženi osnovni parni stroj je bil aeolipile, ki ga je opisal Heron iz Aleksandrije v rimskem Egiptu v 1. stoletju. Pozneje so eksperimentirali ali predlagali več naprav na parni pogon, na primer parni dvigalo Taqi al-Dina, parno turbino v osmanskem Egiptu v 16. stoletju in parno črpalko Thomasa Saveryja v Angliji v 17. stoletju. Leta 1712 je atmosferski motor Thomasa Newcomena postal prvi komercialno uspešen motor, ki je uporabljal princip bata in valja, kar je bila temeljna vrsta parnega stroja, ki se je uporabljala do začetka 20. stoletja. Parni stroj se je uporabljal za črpanje vode iz premogovnikov.

Med industrijsko revolucijo so parni stroji začeli nadomeščati vodni in vetrni pogon ter sčasoma konec 19. stoletja postali prevladujoči vir energije in to ostali do prvih desetletij 20. stoletja, ko sta učinkovitejša parna turbina in motor z notranjim izgorevanjem povzročila hitro zamenjavo parnih strojev. Parna turbina je postala najpogostejši način, s katerim se poganjajo generatorji električne energije. Raziskujejo se praktične možnosti oživitve batnega parnega stroja kot osnove za nov val napredne parne tehnologije.

Predhodniki

Zgodnja uporaba parne energije

Najstarejši znani osnovni parni stroj in reakcijsko parno turbino, eolipile, je opisal matematik in inženir Heron iz Aleksandrije (Heron) v rimskem Egiptu v 1. stoletju, kot je zapisano v njegovem rokopisu Spiritalia seu Pneumatica. Para, ki je iz šob izhajala tangencialno, je povzročila vrtenje krogle. Njegova toplotna učinkovitost je bila nizka. To nakazuje, da so v rimskem Egiptu v 1. stoletju poznali pretvorbo parnega tlaka v mehansko gibanje. Heron je zasnoval tudi stroj, ki je s pomočjo zraka, segretega v oltarnem ognju, izpodrinil določeno količino vode iz zaprte posode. Teža vode je potegnila skrito vrv, s katero so se premikala tempeljska vrata. Nekateri zgodovinarji so oba izuma združili in napačno trdili, da je bil eolipile sposoben koristnega dela.

Po navedbah Viljema iz Malmesburyja je bila leta 1125 v Reimsu cerkev, ki je imela orgle, ki jih je poganjal zrak, ki je uhajal iz stiskanja "z ogrevano vodo", očitno pa jih je zasnoval in izdelal profesor Gerbertus.

Med dokumenti Leonarda da Vincija iz konca 15. stoletja je zasnova topa na parni pogon, imenovanega Architonnerre, ki deluje z nenadnim pritokom vroče vode v zaprt, razžarjen top.

Osnovno udarno parno turbino je leta 1551 opisal Taqi al-Din, filozof, astronom in inženir v otomanskem Egiptu 16. stoletja, ki je opisal metodo vrtenja ražnja s pomočjo curka pare, ki deluje na vrteče se lopatice po obodu kolesa. Podobno napravo za vrtenje ražnja je pozneje opisal tudi John Wilkins leta 1648. Te naprave so se takrat imenovale "mlini", zdaj pa so znane kot parni viličarji. Še eno podobno osnovno parno turbino je leta 1629 prikazal italijanski inženir Giovanni Branca za vrtenje valjaste naprave, ki je izmenično dvigovala in spuščala par pestičev, ki so delali v možnarjih. Vendar pa tok pare v teh zgodnjih parnih turbinah ni bil koncentriran in večina energije se je razpršila v vse smeri. To bi pomenilo veliko izgubo energije, zato jih nikoli niso resno obravnavali za industrijsko uporabo.

Leta 1605 je francoski matematik Florence Rivault v svoji razpravi o artileriji zapisal svoje odkritje, da voda, če je zaprta v bombnem tulcu in segreta, eksplodira.

Leta 1606 je Španec Jerónimo de Ayanz y Beaumont pokazal in dobil patent za vodno črpalko na parni pogon. Črpalka je bila uspešno uporabljena za izsuševanje poplavljenih rudnikov na Guadalcanalu v Španiji.

Razvoj komercialnega parnega stroja "Odkritja, ki jih je leta 1712 združil Thomas Newcomen in na podlagi katerih je nastal parni stroj, so bila:"

koncept vakuuma (tj. znižanje tlaka pod okoliški tlak) pojem tlaka tehnike za ustvarjanje vakuuma način ustvarjanja pare bat in valj

Leta 1643 je Evangelista Torricelli izvedel poskuse z vodnimi črpalkami s sesalnim dvigom, da bi preizkusil njihovo mejo, ki je bila približno 32 čevljev (Atmosferski tlak je 32,9 čevlja ali 10,03 metra. Tlak vodne pare znižuje teoretično višino dvigala.). Zasnoval je poskus z uporabo cevi, napolnjene z živim srebrom in obrnjene v posodo z živim srebrom (barometer), ter opazil prazen prostor nad stebrom živega srebra, za katerega je domneval, da ne vsebuje ničesar, to je vakuum.

Otto von Guericke je pod vplivom Torricellija izumil vakuumsko črpalko, tako da je spremenil zračno črpalko, ki se je uporabljala za polnjenje zračne pištole. Guericke je leta 1654 v Magdeburgu v Nemčiji, kjer je bil župan, pripravil demonstracijo. Dve bakreni polobli sta bili pritrjeni skupaj in iz njiju je bil črpan zrak. Uteži, pripeti na polobli, ju nista mogli ločiti, dokler ni bil odprt zračni ventil. Poskus je bil ponovljen leta 1656 z dvema ekipama po 8 konj, ki nista mogli ločiti magdeburških polobel.

Gaspar Schott je bil prvi, ki je v svojem delu Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657) opisal poskus s polkroglami.

Po branju Schottove knjige je Robert Boyle izdelal izboljšano vakuumsko črpalko in izvedel sorodne poskuse.

Denis Papin se je med sodelovanjem s Christiaanom Huygensom in Gottfriedom Leibnizom v Parizu leta 1663 začel zanimati za uporabo vakuuma za pridobivanje pogonske sile. Papin je med letoma 1676 in 1679 delal za Roberta Boyla in v delu Continuation of New Experiments (1680) objavil poročilo o svojem delu, leta 1689 pa je imel predstavitev v Kraljevi družbi. Od leta 1690 je Papin začel eksperimentirati z batom za pridobivanje energije s paro in izdeloval modele parnih strojev. Eksperimentiral je z atmosferskimi in tlačnimi parnimi stroji ter svoje rezultate objavil leta 1707.

Leta 1663 je Edward Somerset, drugi markiz Worcesterja, objavil knjigo 100 izumov, v kateri je opisal metodo za dvigovanje vode med nadstropji s podobnim načelom kot pri perkolatorju za kavo. Njegov sistem je bil prvi, ki je ločil kotel (ogrevan topovski sod) od črpanja. Voda se je iz cisterne natočila v ojačan sod, nato pa se je odprl ventil za dovod pare iz ločenega kotla. Tlak je naraščal nad vrhom vode in jo poganjal po cevi navzgor. Svojo napravo na parni pogon je namestil na steno Velikega stolpa na gradu Raglan, da bi se voda dovajala skozi stolp. Žlebovi v steni, v katere je bil vgrajen stroj, so bili vidni še v 19. stoletju. Vendar nihče ni bil pripravljen tvegati denarja za tako revolucionarno zamisel in brez podpornikov je stroj ostal nerazvit.

Samuel Morland, matematik in izumitelj, ki se je ukvarjal s črpalkami, je v uradu Vauxhall Ordinance Office pustil zapiske o zasnovi parne črpalke, ki jih je prebral Thomas Savery. Leta 1698 je Savery izdelal parno črpalko z imenom "The Miner's Friend". Uporabljala je vakuum in tlak. Te črpalke so se več let uporabljale za uporabo z majhno močjo.

Thomas Newcomen je bil trgovec z izdelki iz litega železa. Newcomenov motor je temeljil na zasnovi bata in valja, ki jo je predlagal Papin. V Newcomenovem motorju se je para kondenzirala z vodo, ki se je razpršila v valju, kar je povzročilo atmosferski tlak, ki je premikal bat. Newcomenov prvi motor je bil nameščen za črpanje v rudniku leta 1712 v gradu Dudley v Staffordshiru.

Cilindri

Denis Papin (22. avgust 1647 - ok. 1712) je bil francoski fizik, matematik in izumitelj, najbolj znan po svojem pionirskem izumu parnega digestorja, predhodnika tlačne posode. Sredi sedemdesetih let 16. stoletja je Papin sodeloval z nizozemskim fizikom Christiaanom Huygensom pri izdelavi motorja, ki je z eksplozijo strelnega prahu v valju pognal zrak iz njega. Papin je ugotovil, da je vakuum, ustvarjen na ta način, nepopoln, in se leta 1680 preselil v Anglijo, zato je zasnoval različico istega valja, ki je dosegla popolnejši vakuum z vrenjem vode in nato s kondenzacijo pare; na ta način je lahko dvigoval uteži, tako da je konec bata pritrdil na vrv, ki je šla čez jermenico. Sistem je deloval kot demonstracijski model, vendar je bilo treba za ponovitev postopka celotno napravo razstaviti in ponovno sestaviti. Papin je hitro ugotovil, da bi bilo treba za samodejni cikel paro proizvajati ločeno v kotlu, vendar projekta ni nadaljeval. Papin je zasnoval tudi čoln z vesli, ki ga je poganjal curek, ki je igral na mlinskem kolesu v kombinaciji Taqi al Dinove in Saveryjeve zamisli, zaslužen pa je tudi za številne pomembne naprave, kot je varnostni ventil. Papinove dolgoletne raziskave problemov izkoriščanja pare so imele ključno vlogo pri razvoju prvih uspešnih industrijskih motorjev, ki so nastali kmalu po njegovi smrti.

Saveryjeva parna črpalka

Prvi parni stroj, ki je bil uporabljen v industriji, je bil "požarni stroj" ali "rudarski prijatelj", ki ga je leta 1698 zasnoval Thomas Savery. To je bila parna črpalka brez bata, podobna tisti, ki jo je razvil Worcester. Savery je prispeval dva ključna prispevka, ki sta močno izboljšala praktičnost zasnove. Prvič, da bi omogočil, da se dovod vode nahaja pod motorjem, je s kondenzirano paro ustvaril delni podtlak v črpalnem rezervoarju (sod v Worcesterjevem primeru) in s tem potegnil vodo navzgor. Drugič, da bi hitro ohladil paro za ustvarjanje podtlaka, je po rezervoarju speljal hladno vodo.

Za delovanje je bilo potrebnih več ventilov; ko je bil rezervoar na začetku cikla prazen, se je odprl ventil za dovod pare. Ventil se je zaprl, da se je rezervoar zaprl, ventil hladilne vode pa se je vklopil, da se je para kondenzirala in ustvaril delni podtlak. Odprl se je dovodni ventil, ki je potegnil vodo navzgor v rezervoar, tipičen motor pa je lahko potegnil vodo do 20 metrov. Ta se je zaprl in ponovno odprl parni ventil, s čimer se je ustvaril tlak nad vodo in jo črpal navzgor, kot pri Worcesterjevi zasnovi. Ta cikel je v bistvu podvojil razdaljo, na katero je bilo mogoče črpati vodo pri danem tlaku pare, proizvodni primeri pa so vodo dvignili za približno 40 metrov.

Saveryjev motor je rešil problem, ki je šele pred kratkim postal resen: dvigovanje vode iz rudnikov v južni Angliji, ko so ti dosegli večjo globino. Saveryjev motor je bil nekoliko manj učinkovit od Newcomenovega, vendar se je to nadomestilo z dejstvom, da je bila ločena črpalka, ki jo je uporabljal Newcomenov motor, neučinkovita, tako da sta imela oba motorja približno enako učinkovitost 6 milijonov foot funtov na bušela premoga (manj kot 1 %). Saveryjev motor tudi ni bil zelo varen, saj je del njegovega cikla zahteval paro pod tlakom, ki jo je dovajal kotel, tlačne posode pa glede na takratno tehnologijo ni bilo mogoče izdelati dovolj močne, zato je bila nagnjena k eksploziji. Eksplozija ene od njegovih črpalk v Broad Watersu (blizu Wednesburyja) okoli leta 1705 je verjetno pomenila konec poskusov izkoriščanja njegovega izuma.

Saveryjev motor je bil cenejši od Newcomenovega in so ga izdelovali v manjših dimenzijah. Nekateri konstruktorji so izdelovali izboljšane različice Saveryjevega motorja do konca 18. stoletja. Bento de Moura Portugal, FRS, je predstavil domiselno izboljšavo Saveryjeve konstrukcije, "da bi lahko deloval sam", kot jo je opisal John Smeaton v Philosophical Transactions, objavljenih leta 1751.

Atmosferski kondenzacijski motorji

Newcomenov "atmosferski" motor

Thomas Newcomen je s svojim "atmosferskim strojem" iz leta 1712 združil večino bistvenih elementov, ki jih je določil Papin, da bi razvil prvi praktični parni stroj, po katerem bi lahko obstajalo komercialno povpraševanje. Ta je imel obliko batnega stroja, nameščenega na površini, ki je poganjal zaporedje črpalk na enem koncu droga. Motor, ki je bil z verigami pritrjen z drugega konca nosilca, je deloval po atmosferskem ali vakuumskem načelu.