單流式蒸汽機使用的蒸汽在汽缸的每一半都只向一個方向流動。通過沿汽缸的溫度梯度來提高熱效率。蒸汽總是從汽缸的熱端進入，并通過冷卻器中心的端口排出。通過這種方式，可以減少汽缸壁的相對加熱和冷卻。

蒸汽進入通常由凸輪軸操作的提升閥（與內燃機中使用的提升閥類似）來控制。進氣閥在沖程開始時達到最小的膨脹量時打開，接納蒸汽。在曲軸循環的一段時間內，蒸汽被接納，然后提升閥的入口被關閉，允許蒸汽在沖程中繼續膨脹，驅動活塞。在接近沖程結束時，活塞將揭開一個環形的排氣口，徑向安裝在氣缸的中心。這些端口通過一個歧管和管道連接到冷凝器，將腔內的壓力降低到大氣壓力以下，導致快速排氣。曲柄的持續旋轉使活塞移動。從動畫中可以看到單流式發動機的特點，一個大活塞幾乎是氣缸長度的一半，兩端有提動式進氣閥，一個凸輪軸（其運動來源于傳動軸）和一個中央環形排氣口。

單流式發動機有可能在單個汽缸中實現更大的膨脹，而在排氣沖程中，相對較冷的排氣蒸汽會流過工作汽缸的熱端和傳統逆流式蒸汽機的蒸汽口。這種情況下，熱效率更高。排氣口只在活塞沖程的一小部分時間內打開，在活塞開始向氣缸的接納端移動后，排氣口就關閉了。排氣口關閉后，留在氣缸內的蒸汽被截留，這些截留的蒸汽被返回的活塞壓縮。這在熱力學上是可取的，因為它可以在蒸汽進入前預熱汽缸的熱端。然而，過度壓縮的風險往往導致在汽缸蓋上有小的輔助排氣口。這樣的設計被稱為半順流式發動機。這種類型的發動機通常有多個直列布置的汽缸，可能是單作用或雙作用的。這種類型的一個特別的優點是，可以通過多個凸輪軸的作用來操作閥門，通過改變這些凸輪軸的相對相位，可以在低速時增加蒸汽量以獲得高扭矩，而在巡航速度時可以減少蒸汽量以獲得經濟的運行。另外，使用更復雜的凸輪表面的設計可以通過改變整個凸輪軸的縱向位置，使其與從動件相比，可以改變吸入的時間。凸輪軸可以通過機械或液壓裝置進行移動。單流設計還可以保持缸內的溫度梯度不變，避免熱蒸汽和冷蒸汽在缸的同一端通過。缺點在實踐中，單流式發動機有很多操作上的缺點。大的膨脹比需要大的汽缸容積。為了從發動機中獲得xxx的潛在功，需要一個高的往復速度，通常比雙作用的逆流式發動機快80%。這導致進氣閥的開啟時間非常短，給脆弱的機械部件帶來巨大壓力。為了承受所遇到的巨大的機械力，發動機必須建造得很厚實，并且需要一個大的飛輪來平緩蒸汽壓力在汽缸中快速上升和下降時的扭矩變化。由于汽缸內存在熱梯度，缸壁上的金屬會在不同程度上膨脹。這就要求汽缸孔在冷卻中心比在熱端加工得更寬。如果氣缸沒有被正確地加熱，或者如果水進入，這種微妙的平衡就會被打破，導致沖程中的卡死，或者有可能導致破壞。

單流式發動機于1827年由JacobPerkins首次在英國使用，并于1885年由LeonardJennettTodd獲得專利。它在1909年被德國工程師JohannStumpf推廣，xxx臺商業固定式發動機在一年前的1908年生產。

單流原理主要用于工業發電，但也在英國的一些鐵路機車中進行了嘗試，如1913年的東北鐵路單流機車825號和1919年的2212號，以及中部鐵路的帕吉特機車。在法國、德國、美國和俄羅斯也進行了實驗。在任何情況下，結果都沒有得到鼓勵