В локомотивных двигателях относительно высокого давления, построенных в XIX веке, значительная часть энергии расширения оставалась в паре, который выходил из цилиндров через дымовую трубу. Одним из способов повысить тепловую эффективность парового двигателя была составная конструкция, в которой энергия расширения пара использовалась более чем в одном цикле. Если в составном двигателе используются два комплекта цилиндров для двойного расширения пара, он называется двигателем двойного расширения.
При правильной эксплуатации составному двигателю для выполнения той же работы, что и простому двигателю, требуется меньше пара, и, следовательно, он сжигает меньше топлива и использует меньше воды. По одним оценкам, правильно функционирующий составной локомотив двойного расширения может потреблять на 20 процентов меньше топлива и на 50 процентов меньше воды, чем простой локомотив аналогичной конструкции. В реальной эксплуатации эффективность составного локомотива варьировалась в зависимости от типа обслуживания и рабочей скорости, а также от квалификации машиниста.
В типичном паровозном двигателе XIX века пар поступал в цилиндр высокого давления под давлением примерно 180 фунтов на квадратный дюйм и выходил в цилиндр низкого давления под давлением примерно от 60 до 80 фунтов на квадратный дюйм, где он снова расширялся, прежде чем окончательно выйти через дымовую трубу под давлением примерно от 5 до 20 фунтов на квадратный дюйм. Чтобы сбалансировать тягу, диаметр цилиндра низкого давления был в два-три раза больше диаметра цилиндра высокого давления. Концепция составного парового двигателя существовала долгое время, а производство самого локомотива заняло несколько десятилетий. Первый документально подтвержденный составной двигатель был разработан Джонатаном Лорнблоуком в Великобритании в 1781 году. Несмотря на эти успешные попытки, прошло еще много лет, прежде чем концепция получила признание, и прошло еще больше времени, прежде чем конструкция была адаптирована к практическому локомотиву в Америке.
Одним из первых применений составной конструкции локомотива в Соединённых Штатах был малоизвестный тандемный состав, построенный компанией Shepard Iron Works в Буффало, штат Нью-Йорк, в 1880-х годах. Этот локомотив был собран из деталей более раннего локомотива. Как и многие другие первые локомотивы, он создал прецедент, но не оказал прямого влияния на дальнейшее развитие составных локомотивов. Только в конце XIX века в 1880-х годах, когда железные дороги стремились повысить топливную экономичность и улучшить характеристики локомотивов, составные типы получили широкое распространение.
В конце XIX века, когда из-за высоких цен на топливо и высоких нагрузок на транспортную систему, составы были особенно привлекательны для линий, страдающих от нехватки достаточного количества воды. Составы обладали и другими преимуществами, такими как перевозка большего количества грузов одним локомотивом, что повышало производительность работы машинной бригады.
Положительные эксплуатационные характеристики, присущие конструкции компаундов, также способствовали повышению их эффективности. В Соединенных Штатах было построено несколько различных конфигураций локомотивов. Компания Baldwin была ведущим производителем. Несмотря на повышение эффективности, составные локомотивы страдали заметными дефектами. По своей конструкции составные локомотивы были более сложной машиной. Для них требовалось больше движущихся частей, более сложная система управления паром или и то, и другое. Все больше и больше тяжелых движущихся частей увеличивали вес при возвратно-поступательном движении, что требовало большей производительности и более быстрого управления. Кроме того, для достижения теоретического уровня эффективности решающее значение имела правильная эксплуатация соединения. Некоторые из наиболее распространенных жалоб со стороны железнодорожников касались трудностей в обучении инженеров наиболее эффективной работе с ними.
Одними из первых успешных локомотивов с двойным расширением были двухцилиндровые составы, разработанные компанией firat в Германии в 1897 году и вскоре сконструированные различными производителями в Соединенных Штатах. Локомотив оснащен баллоном высокого давления на одной стороне локомотива, который выходит в цилиндр низкого давления на другой стороне. Несмотря на несбалансированный внешний вид, оптимальная балансировка мощности цилиндров низкого и высокого давления позволила работать достаточно хорошо при медленном режиме эксплуатации.
«Алтуна энд Питтсбург» № 1. Расположение колёс: 4-4-0 Цилиндры высокого давления: два 12x24 дюйма Цилиндры низкого давления: два 20x24 дюйма Ведущие колёса: 08 дюймов
Построенный в 1899 году паровоз Wabash 4-4-0 № 659 имеет необычную сводчатую крышу кабины, которая была установлена на многих локомотивах этой железной дороги в 1890-х годах. Этот американский тип локомотива прослужил три десятилетия и был списан в 1933 году.
В начале XX века локомотив типа 2-6-2 «Прерия» некоторое время использовался в качестве скоростного пассажирского локомотива. На фото — первый локомотив «Прерия» № 1000 компании «Санта-Фе». Проблемы со скоростью препятствовали дальнейшему развитию локомотива 2-6-2 в качестве пассажирского, хотя «Санта-Фе» и другие компании позже использовали его для грузовых перевозок. Через два десятилетия после того, как эти паровозы 2-6-2 были построены, компания Santa Fe перестроила их
Атлантик-Сити Рейлроуд № 1027. Колесная формула: 4-4-2 Цилиндры высокого давления: два 13x26 дюймов. Цилиндры низкого давления: два 22x26 дюймов. Ведущие колеса: 84% дюйма. Общий вес локомотива: 142 900 фунтов. Тяговое усилие: 14 400 фунтов.
Филадельфия № 378. Расположение колёс: 4-2-2 Цилиндры высокого давления: два 13x26 дюймов. Цилиндры низкого давления: два 22x26 дюймов. Ведущие колёса: 84'/4 дюйма. Общий вес двигателя: 122 000 фунтов. Тяговое усилие: 14 400 фунтов.
Расположение колёс: 2-8-0 Цилиндры высокого давления: два 15,6x30 дюймов. Цилиндры низкого давления: два 26x30 дюймов. Ведущие колёса: 54 дюйма.