Tengo la imagen de una flor:
import cv2
imagen = cv2.imread('flor.jpg')

La conviertes a gris, la cual efectivamente elimina los campos RGB y la cambia a escala de grises.
img_gris = cv2.cvtColor(imagen, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
cv2.imshow('Gris', img_gris)

Lo que debes hacer para pasarla a tres canales es convertirla nuevamente a RGB:
img_convertida = cv2.cvtColor(img_gris, cv2.COLOR_GRAY2RGB)
cv2.imshow('Gris convertida', img_convertida)

¿Por qué la imagen sigue siendo en escala de grises?
Una vez conviertes la imagen de RGB a escala de grises, no hay vuelta atrás. Sí, pasa a ser de un solo canal (indicando el valor de blanco por cada píxel), y para convertirlo, lo único que se hace es pasar ese canal (digamos que en un pixel su valor en escala de gris es 50) a los 3 canales de RGB (sería rgb(50,50,50)), lo cual te da el mismo color gris, solo que representado como la suma de rojo, verde y azul, en lugar de un porcentaje de blanco.
Para comprobarlo, podemos ver los canales de la imagen RGB convertida:
b = img_convertida.copy()
b[:, :, 1] = 0
b[:, :, 2] = 0
cv2.imshow('B-RGB', b)

g = img_convertida.copy()
g[:, :, 0] = 0
g[:, :, 2] = 0
cv2.imshow('G-RGB', g)

r = img_convertida.copy()
r[:, :, 0] = 0
r[:, :, 1] = 0
cv2.imshow('R-RGB', r)

Así podemos verificar que es una imagen en escala de grises representada con canales RGB.